CC BY
251
УДК 621.484, 621.59
РАЗРАБОТКА ВПУСКНОГО ПНЕВМОКЛАПАНА ДЛЯ ПОРШНЕВОГО ПНЕВМОДВИГАТЕЛЯ НА БАЗЕ ДВС К-750
И.Н. Кудрявцев, доцент, к.ф.-м.н., Б.Н. Муринец-Маркевич, инженер, А.И. Пятак, профессор, д.ф.-м.н., А.В. Архипов, доцент, к.т.н., Ю.В. Демьяненко, инженер, ХНАДУ
Аннотация. Разработана конструкция механизма газораспределения для преобразования двигателя внутреннего сгорания К-750 в пневматический двигатель для экологически чистой автомобильной силовой установки, работающей на жидком азоте или сжатом воздухе. Выполнен проверочный расчет динамики газового тракта пневмоклапана. Разработаны, изготовлены и успешно испытаны механические пневмоклапаны в составе рассмотренного пневматического двигателя.
Ключевые слова: механизм газораспределения, пневматический клапан, поршневой пневматический двигатель, сжатый газ.
Введение Рис. 1. Пневмодвигатель мощностью 0,7 кВт, раз-
работанный для демонстрационной модели Как известно, разработка эффективного пневма- криоавтомобиля в 2003 году
тического двигателя для экологически чистого автомобильного транспорта представляет собой актуальную научно-техническую задачу. В первой модели криогенного автомобиля, разработанного в Харьковском национальном автомобильно-дорожном университете [1, 2], применялся малогабаритный двухцилиндровый пневматический двигатель объемом 120 см2 и мощностью
0,7 кВт [3, 4] (см. рис. 1), который позволил провести успешные демонстрационные испытания
автомобильной криогенной силовой установки, работающей на жидком азоте или сжатом воздухе.
Цель и постановка задачи
Для дальнейшей разработки более мощного (5-7 кВт) пневматического двигателя и повышения скорости криоавтомобиля до 40-60 км/ч авторами был выбран за основу двухцилиндровый оппозитный двигатель внутреннего сгорания от мотоцикла К-750, изготовленный Киевским мотоциклетным заводом, механизм газораспределения которого показан на рис. 2.
Данный двигатель является четырехтактным карбюраторным двигателем с боковым нижним расположением клапанов и имеет следующие характеристики [5]:
- рабочий объем - 746 см3;
- число цилиндров - 2;
- диаметр цилиндров - 78 мм;
- ход поршня - 78 мм;
- степень сжатия - 6;
- число оборотов х/хода - 600-750 об/мин;
- максимальный крутящий момент - 42 Н-м;
- максимальная мощность - 19 кВт (26 л.с.).
Ключевым элементом в изменении механизма газораспределения при переводе двигателя на работу на сжатом газе является разработка соответствующего впускного пневмоклапана, который предназначен для соединения магистрали подвода сжатого газа от газификатора, компрессора или баллона высокого давления, используемого в качестве источника энергии, с впускной полостью пневмодвигателя и обеспечивает задан-
Рис. 2. Механизм газораспределения двигателя К-750: 1 - крышка клапанной коробки; 2 - распределительный вал; 3 - шестерня распределительного вала; 4 - поводок сапуна; 5 - сапун; 6 - фланец распределительного вала; 7 - сальник распределительного вала; 8 - выпускной кулачок распределительного вала; 9 - толкатель; 10 - направляющая толкателя; 11 - контргайка; 12 - регулировочный болт толкателя; 13 - нижняя тарелка клапанной пружины; 14 - сухарь; 15 - пружина клапана; 16 -выпускной патрубок; 17 - верхняя тарелка клапанной пружины; 18 - выпускной клапан; 19 - теплоизоляционная прокладка; 20 - впускной клапан; 21 - впускной патрубок; 22 - спиральная шестерня распределительного вала; 23 - втулка заднего подшипника распределительного вала; 24 -шестерня привода масляного насоса; 25 - прокладка крышки клапанной коробки
ный режим подвода сжатого газа в рабочем процессе.
Рассмотрим основные технические требования, предъявляемые к разрабатываемому пневмоклапану в соответствии со спецификой эксплуатации пневмодвигателя в составе автомобильной силовой установки. Впускной клапан должен обеспечивать надежную работу пневмодвигателя, а его конструктивные элементы должны иметь гидравлическое сопротивление потоку газа, не превы-
шающее 0,05 кгс/см2, при следующих исходных данных:
1. Рабочий газ - азот, воздух.
2. Температура газа - не ниже 273 К (0 °С).
3. Давление, подводимое к клапану газа - до 15 кгс/см2 (15 атм).
4. Число оборотов двигателя - до 750 об/мин.
Устройство и принцип действия пневмоклапана
В соответствии с приведенными техническими требованиями авторами была разработана конструкция механического впускного пневмоклапана, принцип действия которого для рассмотренного двигателя приведен на рис. 3.
Впускной клапан 1 представляет собой самостоятельный узел, верхняя часть которого расположена в камере 2. Впускная камера 2 соединена трубопроводом 3 с источником газа высокого давления.
Нижняя часть клапана 1 расположена в полости цилиндра 4, внутри которого показан поршень 5, находящийся в верхней мертвой точке.
При движении поршня 5 к верхней мертвой точке шток клапана 1, перемещаясь вверх, создает переменную щель 6 между торцом клапана и уплотнительным пояском корпуса 7, который имеет отверстия 8, через которые сжатый газ через щель 6 поступает через верхнюю часть цилиндра 4 над поршнем 5 и отверстие в крышке цилиндра 9 во впускную полость 10, объем которой регулируется подвижным поршнем 11.
Закрытие клапана, как и его открытие, осуществляется перемещением поршня 5, при открытии вверх, при закрытии вниз.
Рис. 3. Расположение в цилиндре и принцип действия впускного пневмоклапана
Впускной клапан в сборе представляет собой самостоятельный узел, представленный на рис. 4. который при необходимости можно извлечь из крышки цилиндра и изменить рабочий ход штока клапана 1.
При перемещении поршня 5 вниз относительно верхней мертвой точки на заданное расстояние впускной клапан закрывается вначале под действием пружины, а затем из-за разности давлений плотно прилегает к уплотнительному пояску его корпуса.
После закрытия впускного клапана по причине разности давлений над поршнем и с противоположной стороны осуществляется расширение сжатого газа из впускной полости 10 с совершением полезной работы путем преобразования поступательного движения поршня через шатун во вращательное движение коленчатого вала и трансмиссии на ведущие колеса автомобиля.
Ш
Рис. 4. Конструкция впускного пневмоклапана
Основной деталью, в которой расположены все элементы конструкции, является гнездо клапана 2.
Гнездо клапана содержит 18 боковых отверстий диаметром 3,5 мм для впуска сжатого газа, а с нижнего торца - два отверстия для вворачивания узла в сборе в крышку цилиндра.
Материал гнезда клапана - нержавеющая сталь 3^13 ГОСТ 5632-72. Внутри гнезда клапана 2 расположен клапан 3, содержащий шток диаметром 5 мм. Материал клапана 3*13 ГОСТ5632-72.
Для прижатия клапана к гнезду внутри него расположена пружина 5 со следующими характеристиками:
- начальное усилие прижатия клапана - 1,5 кгс;
- максимальное усилие при полном открытии клапана 5,5 кгс;
- материал пружины - проволока ПА-П-2,5 ГОСТ 9389-75.
Для разборки элементов впускного клапана на гнездо в верхней части ввернута крышка 1, которая удерживает пружину в рабочем положении, ее материал также сталь 3*13 ГОСТ 5632-72. Все детали впускного клапана изготавливаются по второму классу точности.
Проверочный расчет динамики газового тракта клапана
1) Определим характерную скорость с течения рабочего газа через данный клапан с учетом заданного гидравлического сопротивления на уровне 0,05 кгс/см2 или 4,9 кПа.
Величина потерь давления АР в клапане, рассматриваемом как местное сопротивление, может быть вычислена по формуле [6]
Л
или
2.5 • п ¥п = ^ • п ¥п
Ю = І0’
(3)
(4)
с2 •Р
(1)
где сп - средняя скорость поршня, 5 - ход поршня; п - число оборотов (об/мин); Лп - площадь поршня (4780 мм2); Лкл - площадь поперечного сечения отверстий в клапане.
Вычислим среднюю скорость поршня для заданного двигателя на частоте 750 об/мин
0,078•750 , ^ ,
сп = —--------= 1,95 м/с.
п 30
Эффективная площадь подводящих отверстий заданного клапана составляет Лотв = 346 мм2.
В результате можем определить из формулы (3) скорость газа в подводящих к клапану отверсти-
4780
ях, которая равна Сотв = 1,95 • “346 = 26,9 м/с.
Определим также скорость газа в зазорах между клапаном и его седлом.
Исходные данные:
Диаметр седла клапана - 25 мм;
Высота подъема клапана - 8 мм;
Площадь зазора Л = п-^седпаА;
Л = 3,14-25-8 = 608 мм2 .
где С - коэффициент сопротивления, связанный с коэффициентом расхода по формуле ^ = а-2; Р -плотность протекающей жидкости, кг/м3.
Для оценочного расчета коэффициент расхода газа а примем равным 1. Плотность газообразного азота при рабочем давлении 1 МПа и температуре 290 К, вычисленная по методу, описанному в работе [7], равна 11,66 кг/м3.
В результате для характерной скорости получим
Тогда, скорость газа в седле клапана по формуле (3) будет равна
= 4780 = 15,3 м/с.
с 608
Вычислим скорость течения газа в отверстии связи с впускной полостью
П о П о
л = л - л =—• г>2 — г>2
вп.о отв штока 4 отв 4 шток
= 0,785• 252 -0,785• 52 = 471 мм2,
2 а2 АР
Р
(2)
свп о = 4780 1,95 = 19,8 м/с.
вп.о 471
4,9-103
11,66
29 м/с.
2) Оценим скорость газа в отдельных элементах конструкции клапана, которая может быть определена по формуле [8]
Следовательно, скорость потока рабочего газа в подводящих и отводящих каналах, а также в седле клапана не превышает предельной величины, соответствующей заданному гидравлическому сопротивлению.
Изготовление и испытания впускного клапана
с = с
отв п
2
с
с =
В соответствии с разработанной конструкцией, представленной на рис. 4, нами были изготовлены два впускных пневмоклапана и установлены на рабочие цилиндры приобретенного двигателя (см. рис. 5).
Рис. 5. Внешний вид впускного клапана, установленного на рабочий цилиндр пневмодвигателя
В результате испытаний, проведенных на экспериментальном стенде в лаборатории криогенной и пневматической техники ХНАДУ, изготовленные впускные пневмоклапаны обеспечили устойчивую работу двухцилиндрового пневматического двигателя с рабочими давлениями до 8 атм и максимальной частотой вращения до 500 об/мин, что соответствовало максимальной производительности используемого в качестве источника сжатого воздуха поршневого компрессора TREND 100/392M производства фирмы DARI.
Выводы
Таким образом, авторами были рассчитаны, спроектированы, изготовлены и успешно испытаны в действующей конструкции поршневого пневмодвигателя механические впускные пневмоклапаны для реализации заданного механизма газораспределения. В дальнейшем предполагается установить на рассмотренный пневмодвигатель электро-пневмоклапаны и разработать компьютерную систему управления механизмом газораспределения в зависимости от угла поворота вала двигателя. Сравнение рабочих характеристик пневмодвигателя при использовании впускных клапанов различной конструкции позволит экспериментально определить наиболее функциональный механизм подачи сжатого газа в пневмодвигатель
с учетом специфики применения на автотранспортном средстве.
Литература
1. Туренко А.Н., Богомолов В.А., Бондаренко
С.И., Кудрявцев И.Н., Пятак А.И., Клименко В.И., Левин А.Я., Левченко Н.М., Мури-нец-Маркевич Б.Н., Крамской А.В., Архипов А.В., Лукашов И.В., Канищев И.Н., Клунный А.В. Разработка первой на Украине демонстрационной модели экологически чистого автомобиля с криогенной силовой установкой // Альтернативная энергетика и экология. - 2005. - № 4(24). -С. 93-98.
2. Бондаренко С.И., Кудрявцев И.Н., Левин А.Я.,
Шевченко Н.М., Муринец-Маркевич Б.Н., Пятак А.И.. Разработка криогенной силовой установки для экологически чистого автомобиля // Вопросы атомной науки и техники / Сер. «Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники» (14). - Научно-технический сборник. - Харьков. - 2004. - №6.
- С. 152-157.
3. Пат. 62513 А Украины, МКИ Б02 В43/00.
Пневматический двигатель / С.И. Бондаренко, И.Н. Кудрявцев, А.И. Пятак, Б.Н. Муринец-Маркевич, Н.М. Левченко // Про-мышл. собственность (Укр). Бюл. №12, 15.12.2003.
4. Бондаренко С.И., Кудрявцев И.Н., Крамской
A.В., Левченко Н.М., Муринец-Маркевич Б.Н., Пятак А.И., Архипов А.В. Разработка пневматического двигателя мощностью до одного киловатта для модели криогенного автомобиля // Механіка та машинобудування. - 2004. - № 2. - С. 102-110.
5. Бутейко Д.Б., Козоровицкий Д.М., Майский
B.Н., Титов В.А. Тяжелые мотоциклы. Устройство и эксплуатация. - М.: Воениздат, 1976. - 290 с.
6. Френкель М.И. Поршневые компрессоры.- Л.:
Машиностроение, 1969. -744 с.
7. Кудрявцев І.М., П’ятак О.І., Кудряш А.П., Ма-
рінін В.С., Бондаренко С.І. Термодинамічні властивості твердого, зрідженого і газоподібного азоту // Український фізичний журнал.- 2002.- Т. 47. - № 8. - С. 784-790.
8. Захаренко С.Е., Анисимов С. А., Дмитриевский
В.А., Карпов Г.В., Фотин Б.С. Поршневые компрессоры. - М.: Машгиз, 1961. - 454 с.
Рецензент: М.А. Подригало, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 1 марта 2007 г.
