close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Улучшение характеристик автомобильного двигателя при помощи агрегата наддува с обратимой электрической машиной

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Лазарев Алексей Витальевич
УЛУЧШЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК АВТОМОБИЛЬНОГО
ДВИГАТЕЛЯ ПРИ ПОМОЩИ АГРЕГАТА НАДДУВА
С ОБРАТИМОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНОЙ
Специальность 05.04.02 – Тепловые двигатели
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва – 2018
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном
образовательном
учреждении
высшего
образования
«Московский
политехнический университет» на кафедре «Энергоустановки для транспорта и
малой энергетики».
Научный руководитель:
Официальные оппоненты:
Ведущая организация:
Каминский Валерий Наумович,
доктор технических наук, профессор кафедры
«Энергоустановки для транспорта и малой
энергетики»
ФГБОУ
ВО
«Московский
политехнический университет»
Драгомиров Сергей Григорьевич,
доктор технических наук, профессор кафедры
«Тепловые двигатели и энергетические установки»
ФГБОУ ВО «Владимирский государственный
университет имени А. Г. и Н. Г. Столетовых»
Финкельберг Лев Аронович,
кандидат технических наук, начальник отдела
«Авиационные поршневые двигатели» ФГУП
«Центральный институт авиационного
моторостроения имени П. И. Баранова (ЦИАМ им.
П. И. Баранова)»
ФГБОУ ВО «Московский автомобильнодорожный государственный технический
университет (МАДИ)»
Защита диссертации состоится «28» июня 2018 г. в 16 часов 30 минут на
заседании диссертационного совета Д 212.356.02 при ФГБОУ ВО «Московский
политехнический университет» по адресу: 107023, г. Москва, ул. Б. Семеновская,
38, ауд. Б-303.
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке
ФГБОУ ВО «Московский политехнический университет» и на сайте
www.mospolytech.ru.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенные печатью
организации, просим направлять по адресу: 107023, г. Москва, ул. Б. Семеновская,
д.38, Московский политехнический университет, ученому секретарю
диссертационного совета Д 212.356.02.
Автореферат разослан «__» __________ 2018 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 212.356.02
2
Н. А. Хрипач
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы.
Анализ развития новой техники в мире
показывает все большее внимание к максимально экономичному использованию и
рекуперации не используемой в данный момент, но уже произведенной энергии.
Поле режимов работы автомобильного двигателя имеет ряд областей, требующих
большего наполнения цилиндров воздухом, когда обычный турбокомпрессор
(ТКР) бессилен. Кроме того, есть ряд областей, где избыточная энергия
отработавших газов (ОГ) путем перепуска стравливается вместо полезного
использования. Анализ возможностей и целесообразности улучшения параметров
ТКР доказывает возможность создания и эффективного использования агрегата
наддува с обратимой электрической машиной (ОЭМ), позволяющего осуществить
более качественный способ регулирования подачи воздуха.
Цель и задачи диссертации. Целью диссертации является обеспечение
современных технико-экономических характеристик двигателя с помощью
агрегата наддува с ОЭМ.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
– выполнить анализ существующих систем турбонаддува (ТН), их
преимуществ и недостатков;
– выполнить обзор и анализ российского и зарубежного опыта по созданию
и использованию систем гибридного наддува двигателей внутреннего сгорания
(ДВС) и агрегатов рекуперации энергии ОГ;
– разработать
методику
расчета
параметров
системы
наддува
автомобильного двигателя с применением в качестве агрегата наддува ТКР с ОЭМ;
– спроектировать и изготовить образцы ТКР с ОЭМ;
– адаптировать стенд безмоторных испытаний ТКР для проведения их
исследований в сочетании с ОЭМ;
– провести экспериментальные исследования по определению характеристик
ТКР с ОЭМ на безмоторном стенде;
– провести на моторном стенде комплекс экспериментальных исследований
по определению влияния на характеристики двигателя системы наддува,
включающей ТКР с ОЭМ;
– апробировать разработанную методику расчета параметров системы
наддува автомобильного двигателя для варианта с применением в качестве агрегата
наддува ТКР с ОЭМ.
Объекты исследования. Автомобильный двигатель с ТКР с ОЭМ. Методика
расчета параметров системы наддува автомобильного двигателя с применением в
качестве агрегата наддува ТКР с ОЭМ.
Научная новизна работы заключается в следующем:
– разработана
методика
расчета
параметров
системы
наддува
автомобильного двигателя с применением в качестве агрегата наддува ТКР с ОЭМ;
– разработана методика улучшения характеристик двигателя путем
качественного управления воздухоподачей, что позволяет подать в цилиндры
двигателя необходимое количество воздуха в нужный момент и, следовательно,
регулировать во времени поток мощности на движитель;
3
– разработана методика регулирования ТКР путем рекуперации избыточной
энергии ОГ при помощи агрегата наддува с ОЭМ.
Теоретическая и практическая значимость полученных результатов
состоит в том, что разработана и внедрена в практику методика расчета параметров
системы наддува автомобильного двигателя с применением в качестве агрегата
наддува ТКР с ОЭМ. Создана и зарегистрирована в Федеральной службе по
интеллектуальной собственности конструкция ТКР с ОЭМ.
Методология и методы исследования. Теоретические, основанные на
применении теории турбомашин, компьютерной графики, математического
моделирования тепловых и газодинамических процессов, на математических
методах обработки результатов стендовых безмоторных испытаний.
Положения, выносимые на защиту:
– методика расчета параметров наддува автомобильного двигателя с
применением в качестве агрегата наддува ТКР с ОЭМ, позволяющая оценить
перспективы улучшения характеристик двигателя за счет подкрутки вала ротора
ТКР, а также определить избыток мощности газа на турбине, который возможно
рекуперировать;
– результаты разработки и изготовления гибридного агрегата наддува с
описанием примененных технических решений;
– результаты безмоторных испытаний ТКР с ОЭМ на исследовательском
стенде;
– результаты моторных испытаний системы наддува с ОЭМ на двигателе
КАМАЗ-740.60-360.
Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в научнопроизводственном объединении «Турботехника» и используются при разработке и
изготовлении ТКР с ОЭМ.
Достоверность результатов. Достоверность исследований подтверждается
высокой степенью сходимости результатов расчетных и экспериментальных
исследований.
Апробация работы. Результаты доложены на двух научных конференциях
в Московском политехническом университете, на научной конференции на
Автополигоне НАМИ, на четырех международных научно-практических
конференциях в г. Протвино и на заседании кафедры «Энергоустановки для
транспорта и малой энергетики» Московского политехнического университета.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 20 печатных работ,
в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК, и получено 5 патентов.
Личный вклад автора. Автором выполнен анализ публикаций по теме
диссертационного исследования, разработана расчетная методика и методика
испытаний. При непосредственном участии автора спроектирован ТКР с ОЭМ и
проведены все его испытания. Материалы диссертации основаны на исследованиях
автора в период с 2007 г. по 2017 г.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав,
выводов и списка использованной литературы. Общий объем работы – 117 страниц
текста, 50 рисунков, 6 таблиц. Список литературы включает 111 наименований.
4
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение содержит общую характеристику работы, показана актуальность
темы диссертационного исследования, сформулированы его цели, обоснована
научная новизна, достоверность результатов и их практическая значимость.
Первая глава диссертации посвящена анализу существующих схем и систем
ТН, рассмотрены их преимущества и недостатки. Оценка потенциала
рассмотренных систем ТН по улучшению характеристик двигателя приведена в
таблице 1.
Температура на
входе в катализатор
ТКР с перепуском газа мимо
0
0
0
0 0 +
турбины
ТКР
с
регулируемым
сопловым аппаратом (РСА)
+
+
0
+ + +
турбины
ТКР с электродвигателем
++
++
0
0 + +
Регистровая система
++
++
0
++ ++ 0
турбонаддува
Двухступенчатая система
+
+
++
+ + 0
турбонаддува
Система двухступенчатого
регулируемого турбонаддува
++
++
++ ++ ++ 0
(RST)
Система наддува с ТКР и
центробежным компрессором ++
++
+
++ + 0
с электроприводом
Примечание: 0 – возможность для улучшения отсутствует;
+ – возможность для улучшения существует;
++ – наилучшая возможность для улучшения.
Возможность
использования
рециркуляции ОГ
Компоновка
Расход топлива
Рабочий диапазон
Максимальная
мощность
Приемистость
двигателя
Система наддува
Крутящий момент
при nmin
Таблица 1 – Оценка потенциала систем наддува при использовании различных
схем ТН
+
+
+
+
+
+
+
+
++
0
+
0
0
+
Анализ параметров, приведенных в таблице 1, показывает, что наибольшим
потенциалом для выполнения современных экологических стандартов и
технико-экономических требований по автомобилю обладают двигатели с
5
двухступенчатой системой наддува и с гибридными агрегатами наддува. В связи с
этим выполнен обзор и анализ конструкций систем гибридного наддува ДВС и
агрегатов рекуперации энергии ОГ, рассмотрено их влияние на характеристики
двигателя.
По итогам первой главы сформулированы цель работы и задачи для ее
достижения, изложенные выше.
Во второй главе предложен метод улучшения характеристик двигателя
путем управления воздухоподачей, позволяющий компенсировать недостатки
одноступенчатой системы наддува.
Основные недостатки одноступенчатого газотурбинного наддува:
– нехватка энергии ОГ, необходимой для привода компрессора на режимах
работы вблизи спадающей ветви крутящего момента, что ведет к ухудшению
рабочего процесса, снижению экономичности и повышению токсичности;
– наличие «турбоям» на переходных режимах работы двигателя («турбояма»
– запаздывание увеличения расхода воздуха по отношению к уже заданному росту
цикловой подачи топлива, вызванное большей инерцией частоты вращения ротора
ТКР и связанного с этим более медленного роста давления наддува в начале
ускорения автомобиля).
Гибридный агрегат наддува при работе ОЭМ в режиме двигателя за счет
подвода дополнительной (электрической) энергии способен реализовать требуемое
протекание частоты вращения вала ротора и тем самым обеспечить необходимое
количество воздуха в нужный момент, что позволит компенсировать описанные
недостатки.
Зоны возможной работы ТКР с ОЭМ в режиме двигателя («подкрутки»)
концентрируются главным образом в левой части поля режимов при частотах от n хх
до nМмах1 (рисунок 1).
Рисунок 1 – Схема распределения по продолжительности различных режимов
работы двигателя в транспортном средстве
6
Требование «подкрутки» может возникнуть практически в любой точке поля
режимов при желании водителя сравнительно быстро ускорить движение
транспортного средства.
Точно так же при движении на практически любой точке поля режимов
возможно желание водителя или необходимость сравнительно быстро сбросить
нагрузку для замедления движения транспортного средства. Этот избыток энергии
может быть сохранен в электрическом виде с помощью ОЭМ, работающей в
режиме генератора. При этом он может быть, в зависимости от уровня интеллекта
системы регулирования, отложен в виде, более или менее удобном для наилучшего
использования в дальнейшем.
При работе ОЭМ в режиме генератора на частотах выше nМмах регулировка
ТКР производится путем отбора части мощности с вала ротора ТКР для
поддержания постоянного давления наддува. Эта мощность может быть
использована и переведена в электрическую. Регулировка только с помощью ОЭМ
осуществляется до достижения равенства избыточной мощности ОГ и
потребляемой мощности с помощью ОЭМ с учетом максимального отбора. ТКР с
ОЭМ не позволяет рекуперировать весь избыток энергии ОГ, что требует
применения дополнительного регулирования путем перепуска части отработавших
газов в атмосферу через перепускное отверстие в корпусе турбины, минуя рабочее
колесо турбины.
В большем числе установившихся режимов ТКР с ОЭМ должен работать как
обычный ТКР.
Потребности в «подкрутке» короче по времени и используются в меньшем
числе случаев, тогда как снятие избыточной мощности может происходить дольше
и в большем числе случаев. Энергетически затратных процессов первого вида
намного меньше, чем получения энергии – в процессах второго вида.
Благоприятный баланс между потенциальными затратами энергии в первом случае
и получением ее – во втором позволяет надеяться на положительный эффект при
использовании ТКР с ОЭМ.
На основании вышеописанного анализа разработана методика расчета
параметров системы наддува двигателя, которая позволяет оценить изменения
характеристик двигателя при применении в качестве агрегата наддува ТКР с ОЭМ.
Данная методика реализована в созданной в среде Microsoft Excel программе
«Параметры наддува двигателя с ТКР с ОЭМ».
В методике используется упрощенное моделирование цикла ДВС,
позволяющее определить параметры наддува и изменение крутящего момента
двигателя и удельного эффективного расхода топлива в зависимости от мощности
ОЭМ при работе в режиме двигателя. При работе ОЭМ в режиме двигателя
затрачиваемая мощность на привод компрессорной ступени равняется сумме
мощностей турбинной ступени и мощности ОЭМ NК= NТ + NОЭМ. При работе ОЭМ
в режиме генератора мощность на привод компрессорной ступени уменьшается на
величину мощности аккумулируемой с помощью ОЭМ электрической энергии и
равняется разности мощностей турбинной ступени и мощности ОЭМ N К= NТ 7
NОЭМ. При работе ОЭМ в режиме холостого хода агрегат наддува работает по схеме
ТКР, при котором мощность компрессора равняется мощности турбины NК = NТ.
На первом этапе расчёта на основании имеющихся технических данных
двигателя и информации, приведенной в технической литературе, или
эмпирических формул, полученных на основании статистического анализа
экспериментальных данных различных двигателей, задаются исходные данные.
В исходных данных для выполнения первого этапа расчёта в качестве
первого приближения задаются эффективные параметры компрессора и турбины,
мощность ОЭМ, условное эквивалентное проходное сечение.
На втором этапе в заданных расчетных точках последовательно решаются
системы уравнений для определения необходимых параметров ТКР и параметров
двигателя. Среднее эффективное давление ре определяется из расчета параметров
наддува.

N T  f Fэкв ; TT ; pT

к
N

Т

N T – мощность турбины;
 Z   к .ад.
 К – степень повышения
давления в компрессоре;
p*S – давление воздуха после
ОНВ;
p e – среднее эффективное
давление;
N e – эффективная мощность
двигателя;
G Г – расход газа через
турбину;
к


к
R
 *  к 1

G



T

1
 в к 1 

1


в


pS*  pк*  рохл.
 v i   м  H u  ps*
*
R  L0    Ts
iV  n  pe
Ne  h
120
pe 
Т Т* – температура газа перед
турбиной.
GГ  Gв  GT
Т Т* 
cp Г
 Н

1
  u  1   i  qW   c p в TS*  TS* 
 1
   l0

Т Т*  
 1 
   l0

 
 
Эффективные параметры ТКР, учитывая взаимовлияние их на параметры
двигателя, многократно уточняются в процессе итерации, исходя из опытных
универсальных его характеристик. Величина условного эквивалентного
проходного сечения турбины уточняется, исходя из потребного крутящего момента
на характерном режиме. По результатам расчета, основываясь на ограничении
максимальной температуры газа перед турбиной 700 ºС, уточняется коэффициент
избытка воздуха α.
Мощность электрической машины на расчетном режиме также многократно
уточняется, исходя из принятой линейной зависимости мощности ОЭМ от частоты
вращения вала ротора ТКР.
8
Серия расчетов при различной величине мощности ОЭМ позволяет оценить
степень ее влияния на характеристики двигателя. Окончательная номинальная
мощность ОЭМ определяется исходя из учета обеспечения требуемого крутящего
момента на низких частотах вращения двигателя и возможности установки данного
типоразмера ОЭМ в подобранный по результатам расчета типоразмер ТКР.
Диапазон режимов работы двигателя для возможной регулировки давления
наддува с помощью ОЭМ, работающей в режиме генератора, определяется
величиной мощности перепускаемого газа, вычисляемой при определении
параметров наддува.
Подбор характеристик компрессорной и турбинной ступеней осуществляется
совмещением расходных характеристик двигателя с соответствующими
универсальными характеристиками ТКР.
В третьей главе приводятся результаты создания стенда для безмоторных
испытаний ТКР с ОЭМ. Описываются методики экспериментальных исследований
на безмоторном стенде.
Стенд безмоторных испытаний ТКР с ОЭМ (рисунок 2) предназначен для
определения газодинамических характеристик компрессорной и турбинной
ступеней, параметров и характеристик ОЭМ, а также для комплексной проверки
качества изготовления и сборки ТКР.
Рисунок 2 – Стенд безмоторных испытаний ТКР с ОЭМ
Стенд состоит из следующих основных систем: топливной, пусковой,
охлаждения, воздухоснабжения, управления стендом и агрегатов – камеры
сгорания и масляной станции.
Система подвода газа к турбине может быть осуществлена несколькими
способами:
1) Разомкнутый цикл, когда воздух в камеру сгорания подается только из
автономной сети сжатого воздуха;
2) Полузамкнутый цикл, когда воздух из компрессора ТКР подаётся на вход
камеры сгорания, а также добавляется воздух из автономной сети;
9
3) Замкнутый цикл, когда воздух из автономной сети используется только
для пуска стенда и выхода ТКР на режим, затем он перекрывается и обеспечение
воздухом камеры сгорания осуществляется только компрессором ТКР.
Блок управления и питания ОЭМ (рисунок 3) состоит из компьютера
управления ОЭМ, субблока вращения ОЭМ, субблока заряда. Предназначен для
управления вращением обратимой машины, используемой в режиме двигателя для
«подкрутки» вала ротора и преобразования электрической энергии, получаемой от
обратимой машины, используемой в режиме генератора.
Пассивное нагрузочное устройство ОЭМ служит для отбора в необходимом
диапазоне электрической мощности от ОЭМ, работающей в режиме генератора.
Рисунок 3 – Блок управления и питания ОЭМ
Стенд оснащен системой дистанционного управления, регулирования и
сигнализации. Система измерений обеспечивает определение расходов воздуха и
газа, давлений и температур, частоты вращения ротора, уровня вибраций.
Аппаратное обеспечение стендов обеспечивает автоматизацию процессов сбора
экспериментальных данных и их обработки с выдачей результатов в форме таблиц,
графиков, протоколов. Для графического построения характеристик компрессора и
турбины разработано программное обеспечение.
Характеристики компрессора ТКР с ОЭМ определяются при работе ОЭМ в
режиме холостого хода, в режиме двигателя и в режиме генератора на ряде
постоянных окружных скоростей колеса компрессора, составляющих на наружном
диаметре лопаток величины в диапазоне uК2пр = 200–550 м/с с шагом 50 м/с,
приведенные к нормальным условиям.
На каждой ветви характеристики при uК2пр = const определяются параметры
ТКР минимум в шести точках от максимального расхода воздуха через компрессор
до границы помпажа (минимального расхода воздуха). Уменьшение расхода
воздуха через компрессор осуществляется за счет дросселирования напорного
трубопровода.
10
Характеристики турбины ТКР определяются по параметрам, измеренным на
этих же режимах.
Полученные в результате испытаний характеристики лопаточных машин и
ОЭМ представляются графическими зависимостями:
Компрессорная ступень.
– Зависимость степени повышения давления πк и адиабатического КПД ηК от
приведенного расхода воздуха GВ.пр, при различных частотах вращения ротора ТКР
(или окружной скорости);
– Зависимость мощности компрессора при работе ОЭМ в режиме холостого
хода, режиме генератора и режиме двигателя от приведенного расхода воздуха
через компрессор GВ.пр, при различных частотах вращения ротора ТКР (или
окружной скорости).
Турбинная ступень.
– Зависимость приведенного расхода газа GГ.пр и эффективного КПД ηТ.е от
степени понижения давления πТ, при различных частотах вращения ротора ТКР
(или окружной скорости).
ОЭМ.
– Зависимостью мощности, напряжения и силы тока ОЭМ от частоты тока.
В четвертой главе представлены результаты разработки опытных образцов
ТКР с ОЭМ, результаты экспериментальных исследований на безмоторном стенде,
результаты экспериментальных исследований на моторном стенде, их анализ и
сравнение с результатами, полученными в ходе апробации разработанной
методики расчета параметров системы наддува.
Конструктивно ТКР с ОЭМ (рисунок 4) состоит из следующих узлов:
– турбины и компрессора, являющихся лопаточными машинами,
состоящими из рабочих колёс, жёстко связанных общим валом (ротором), и
корпусов;
а) Внешний вид ТРК с ОЭМ
б) Математическая модель ТКР с
ОЭМ в разрезе
Рисунок 4 – ТРК с ОЭМ
11
– ОЭМ, включающей статор и ротор. Ротор ОЭМ жёстко посажен на вал
ротора ТКР между опорными подшипниками последнего, статор неподвижно
закреплён в корпусе подшипников концентрично относительно ротора;
– корпуса подшипников, служащего для крепления корпусов компрессора и
турбины, размещения подшипников ротора и установки статора ОЭМ и имеющего
также контур водяного охлаждения.
Испытания проведены на безмоторном стенде НПО «Турботехника». Стенд
оборудован необходимыми для проведения испытаний системами и средствами
измерений. Подача воздуха на камеру сгорания стенда от компрессорной станции
– разомкнутый режим работы стенда. Температура газа на входе в турбину ТКР
поддерживалась на уровне 650 ºС. Питание ОЭМ в режиме двигателя и нагружение
в режиме генератора осуществлялось с помощью системы управления.
Проведенные испытания показали, что характеристика компрессора
(рисунок 5) при работе ОЭМ в режиме холостого хода в пределах точности
измерений стенда соответствует характеристике компрессора-прототипа, на основе
которого изготовлен ТКР с ОЭМ. Т. е. конструктивные изменения ТКР, связанные
с установкой ОЭМ, не повлияли на характеристики лопаточных агрегатов.
а) Характеристики компрессора
б) График изменения мощности
компрессора
Рисунок 5 – Сравнительные характеристики компрессора при работе ОЭМ на
режимах холостого хода, двигателя и генератора
12
Максимальное увеличение давления наддува относительно холостого хода
наблюдается при малых окружных скоростях. Это объясняется тем, что
относительная прибавка мощности ОЭМ к мощности компрессора на низких
окружных скоростях имеет большее значение.
Контрольная разборка по результатам безмоторных испытаний каких-либо
нарушений конструкции и вредных контактов не выявила, что характеризует
данную конструкцию вполне работоспособной и позволило перейти к испытаниям
на двигателе.
Моторные испытания ТКР с ОЭМ проведены на двигателе КАМАЗ-740.60360 (рисунок 6), предварительно отрегулированном со штатной системой наддува
на номинальную мощность 360 л. с.
Рисунок 6 – ТКР с ОЭМ, установленный на двигателе КАМАЗ-740.60-360
Испытания проведены в боксе испытательной станции НТЦ ПАО «КАМАЗ»
на стенде фирмы HORIBA, оборудованном в соответствии с требованиями
ГОСТ 14846.
В ходе испытаний, при работе двигателя по ВСХ, при выходе на заданную
частоту вращения система управления стендом поддерживала постоянный часовой
расход топлива с выключенной и включенной ОЭМ.
Результаты испытаний двигателя с ТКР с ОЭМ представлены на графиках
(рисунок 7).
При анализе ВСХ можно отметить:
– Крутящий момент двигателя при включении «подкрутки» ротора растёт во
всём диапазоне частот вращения коленчатого вала. Увеличение момента составило
от 289 Н∙м при ne = 1000 мин-1 до 6 Н∙м при ne = 1400 мин-1, или от 22,5 до 1 %.
Наибольшее увеличение момента зафиксировано на режиме ne = 1100 мин-1 – на
377 Н∙м или на 29 %.
– Увеличение крутящего момента обусловило соответствующий рост
мощности двигателя на исследованных режимах на 43–2 кВт;
– Удельный эффективный расход топлива уменьшается на 35–1 г/(кВт∙ч) или
на 17,1–1 %;
13
– Давление на входе в турбину также растёт, но в меньшей степени, чем
давление наддува, т. е. потери на газообмен при работе ОЭМ снижаются;
– Также уменьшается температура газа на входе и выходе турбины – на 54–
90 ºС на входе на режимах ne = 1000–1100 мин-1. Последнее связано с ростом
расхода воздуха через двигатель;
– Расчётная мощность ОЭМ составила 7,3–1,3 кВт.
Рисунок 7 – Внешняя скоростная характеристика двигателя КАМАЗ-740.60-360
Резюмируя вышесказанное, можно отметить, что ТКР с ОЭМ при совместной
работе с двигателем КАМАЗ-740.60-360 по ВСХ обеспечил улучшение техникоэкономических параметров двигателя в диапазоне частот вращения коленчатого
вала 1000–1400 мин-1. Таким образом, применение агрегата наддува с ОЭМ в
14
поршневых двигателях, как и предполагалось, позволит формировать требуемую
характеристику крутящего момента в области низких частот вращения коленчатого
вала, снижая или вовсе исправляя органические недостатки классического
поршневого двигателя в левой части поля его скоростных режимов.
Время перехода двигателя от момента включения ОЭМ в установившееся
состояние специально не фиксировалось. Субъективно переходный процесс
заканчивался в течение одной, максимум двух секунд. Этот качественный вывод о
малой инерционности процессов схемы показывает перспективность
использования ОЭМ и на переходных процессах, характерных для транспортных
силовых установок. Количественное его подтверждение не проводилось в связи с
отсутствием инструментария для такой оценки и предполагается в дальнейшем.
Апробация разработанной методики расчета параметров наддува
автомобильного двигателя с применением в качестве агрегата наддува ТКР с ОЭМ
на примере двигателя КАМАЗ-740.60-360 показывает удовлетворительное
совпадение результатов расчета с экспериментальными данными. Отклонение
экспериментальных от расчетных параметров не превышает 5 % (рисунок 7).
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ
1. Выполнен анализ существующих схем и систем ТН. Он показал, что
наибольшим потенциалом с точки зрения выполнения современных экологических
стандартов и требований по автомобилю обладают двигатели с гибридными
агрегатами наддува. Обзор и анализ российского и зарубежного опыта по созданию
и использованию систем гибридного наддува ДВС и агрегатов рекуперации
энергии ОГ показывает, что направление в отношении гибридных компонентов
автомобиля можно считать актуальным и перспективным.
2. Разработана методика расчета параметров наддува автомобильного
двигателя с применением в качестве агрегата наддува ТКР с ОЭМ. Методика
позволяет оценить перспективы улучшения характеристик двигателя за счет
подкрутки вала ротора ТКР на режимах от nхх до nМмах, где эффективность обычной
одноступенчатой системы наддува часто не достаточна. Показано, что на режимах
выше nМмах, где обычно требуется перепуск возможного избытка мощности газа на
турбине, появляется возможность с помощью ОЭМ рекуперировать эту энергию.
3. Спроектированы и изготовлены образцы ТКР с ОЭМ. На безмоторном
стенде проведены экспериментальные исследования по определению
характеристик компрессора, турбины и ОЭМ и проверки работоспособности ТКР.
4. Результаты моторных испытаний системы наддува с ОЭМ на двигателе
КАМАЗ-740.60-360 подтвердили возможность улучшения характеристик
двигателя в диапазоне частот вращения коленчатого вала от nхх до nМмах. Апробация
предложенной методики расчета параметров наддува это подтвердила, показав
удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных данных.
5. Таким образом, в ходе исследования обоснован, реализован и применен на
практике метод улучшения характеристик автомобильного двигателя с помощью
агрегата наддува с ОЭМ.
15
6. Показана возможность развития и введения в товарном виде совершенно
нового инструмента для формирования тяговых, экономических и экологических
характеристик двигателя – ТКР с ОЭМ, как на установившихся, так и на
переходных режимах.
7. Проведена патентная защита конструкции ТКР с ОЭМ и оригинальных
технических решений, полученных по результатам разработки агрегата.
Основные положения диссертации отражены в работах:
В рецензируемых научных изданиях
1. Лазарев, А. В. Результаты
разработки
регулируемого
турбоэлектрокомпрессора / А. В. Лазарев, В. Н. Каминский, Р. В. Каминский и др.
// Известия МГТУ МАМИ. – 2014. – Т1. – № 4 (22). – С. 47-51.
2. Каминский, В. Н. Создание стендов для контрольно-исследовательских
испытаний турбокомпрессоров / В. Н. Каминский, Р. В. Каминский, А. В. Лазарев
и др. // Известия МГТУ МАМИ. – 2012. – Т1. – № 2(14). – С. 143-148.
3. Каминский, В. Н. Турбоэлектрокомпрессор: возможности, конструкция и
перспективы / В. Н. Каминский, А. В. Лазарев, Р. В. Каминский и др. // Известия
МГТУ МАМИ. – 2012. – Т1. – № 2 (14). – С. 149-153.
4. Каминский, В. Н. Разработка системы наддува для двигателя MMZ-3LDT /
В. Н. Каминский, А. В. Лазарев, Р. В. Каминский и др. // Науч.-технич. журн.
«Автомобильная промышленность». – 2017. – № 05. – С. 9-13.
В других изданиях
5. Каминский, В. Н. Компрессор с электроприводом в многоступенчатых
системах наддува / В. Н. Каминский, С. В. Сибиряков, А. В. Лазарев и др. // Науч.–
публ. журн. «Наукоград». – 2017. – № 2(12). – С. 7-18.
6. Каминский, В. Н. Опыт разработки системы наддува для двигателей
генераторного применения / В. Н. Каминский, Р. В. Каминский, А.В. Лазарев и др.
// Сб. тр. IX Междунар. науч.-практич. конф. «Информационные и
коммуникационные технологии в образовании, науке и производстве». – Протвино,
2016. – С. 488-491.
7. Каминский, В. Н. Разработка и применение методики создания
типоразмерного ряда турбокомпрессоров для ДВС различного назначения /
В. Н. Каминский, Р. В. Каминский, А. В. Лазарев и др. // Науч.- публ. журн.
«Наукоград». – 2016. – № 1(7). – С. 26-35.
8. Григоров, И. Н. Актуальные аспекты деятельности НПО «Турботехника».
Разработка турбокомпрессора для высокофорсированного дизеля ЯМЗ-534 Евро-5
/ И. Н. Григоров, В. Н. Каминский, А. В. Лазарев и др. // Науч.-публ. журн.
«Наукоград». – 2015. – № 4(6). – С. 44-47.
9. Лазарев, А.В. Результаты разработки гибридного агрегата наддува /
А. В. Лазарев, В. Н. Каминский, Р. В. Каминский и др. // Тез. докл. междунар. науч.технич. конф. «7-е Луканинские чтения. Решение энерго-экологических проблем в
автотранспортном комплексе». – 2105. – М: МАДИ. – С. 40-41.
16
10. Каминский, В. Н. Разработка и применение центробежного нагнетателя с
электроприводом / В. Н. Каминский, Р. В. Каминский, А. В. Лазарев и др. // Сб. тр.
VIII Междунар. науч.-практич. конф. «Информационные и коммуникационные
технологии в образовании, науке и производстве». – Протвино, 2014. – С. 906-909.
11. Каминский, В. Н. Разработка нового семейства турбокомпрессоров для
многоцелевых дизельных двигателей 12ЧН15/17,5 / В. Н. Каминский,
Р. В. Каминский, А. В. Лазарев и др. // Сб. тр. VIIIМеждунар. науч.-практич. конф.
«Информационные и коммуникационные технологии в образовании, науке и
производстве». – Протвино, 2014. – С. 928-929.
12. Каминский, В. Н. Подбор системы наддува для двигателя, применяемого
в условиях высокогорья / Каминский В.Н., Сибиряков С.В., Лазарев А.В. // Сб. тр.
VII Междунар. науч.-практич. конф. «Информационные и коммуникационные
технологии в образовании, науке и производстве». – Протвино, 2013. – С. 853-856.
13. Каминский, В. Н. Применение программного комплекса FloEFD для
численного исследования характеристик турбокомпрессора / В. Н. Каминский,
Р. В. Каминский, А.В. Лазарев и др. // Сб. тр. VII Междунар. науч.-практич. конф.
«Информационные и коммуникационные технологии в образовании, науке и
производстве». – Протвино, 2013. – С. 847-850.
14. Каминский, В. Н. Использование информационных технологий при
контрольно-исследовательских испытаниях турбокомпрессора на безмоторном
стенде / В. Н. Каминский, Р. В. Каминский, А.В. Лазарев и др. // Сб. тр. VI
Междунар. науч.-практич. конф. «Информационные и коммуникационные
технологии в образовании, науке и производстве». – Протвино, 2012. – С. 434-436.
15. Arav, B. Multifunction Micro Turbine Generators (MiTG) based on mass
production turbocharger / B. Arav, R. Shulman, A. Lazarev and etc. // Proceedings 6th
Conference on Propulsion Technologies for Unmanned Aerial Vehicles, Haifa, Israel,
January 26, 2016, р. 45-46.
В патентах на изобретения и полезные модели
16. Турбоэлектрокомпрессор с разрезными уплотнительными кольцами из
немагнитных материалов : пат. 155515 Рос. Федерация : МПК F04D 29/12, F02B
37/00 / В. Н. Каминский, Р. В. Каминский, А. В. Лазарев и др.; АО НПО
Турботехника. – 2014140924/06; заявл. 10.10.2014; опубл. 10.03.2015; Бюл. №28. –
3 с.
17. Стенд для испытания турбокомпрессоров двигателей внутреннего
сгорания : пат. 138285 Рос Федерация : МПК G01M 15/02 / В. Н. Каминский,
Р. В. Каминский, А. В. Лазарев и др.; ЗАО НПО Турботехника. – 2013142742/06;
заявл. 20.09.2013; опубл. 10.03.2014; Бюл. №7. – 13 с.
18. Стенд для испытания турбокомпрессоров двигателей внутреннего
сгорания : пат. 138586 Рос. Федерация : МПК F01L 15/00 / В. Н. Каминский,
Р. В. Каминский, А. В. Лазарев и др.; Российская Федерация, от имени которого
выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации. –
2013142739/02; заявл. 20.09.2013; опубл. 20.03.2014; Бюл. №8. – 11 с.
17
19. Автономная газотурбинная установка (варианты) : пат. 110409 Рос.
Федерация : МПК F01D 15/10, F01C 7/12, F01C 9/00 / В. Н. Каминский,
Р. В. Каминский, А. В. Лазарев и др.; ЗАО НПО Турботехника. – 2011121764/06;
заявл. 31.05.2011; опубл. 20.11.2011; Бюл. №32. – 13 с.
20. Турбоэлектрокомпрессор (варианты) : пат. 96182 Рос. Федерация : МПК
F02В 37/14, F02В 37/10 / В. Н. Каминский, Р. В. Каминский, А. В. Лазарев и др.;
ЗАО НПО Турботехника, ООО Эрга. – 2010112916/06; заявл. 05.04.2010; опубл.
20.07.2010; Бюл. №20. – 9 с.
18
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа