CC BY
103
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.
