Главная страница 1
УДК 621.43

П.П.Петров, А.М.Савенков, А.И.Савицкий, С.П.Петров, НПФ «ЭКИП»

г. Москва


К выбору типа гибридной силовой установки мобильных транспортных средств
Эффективность мобильных транспортных средств (МТС) в значительной степени определяется ценой применяемого топлива и эксплуатационным КПД. Последний существенно снижается с ростом доли времени работы силовой установки (СУ) на не оптимальных режимах и, прежде всего, на холостом ходе. В настоящее время наиболее перспективное направление решения данной проблемы это комбинированные (гибридные) энергетические установки (КЭУ). Другим возможным путём решения проблемы является установка вспомогательной СУ. Опыт применения вспомогательных дизель - генераторов на судах показывает, что такое решение может быть эффективным и на сухопутных МТС (грузовик, автобус, маневровый локомотив и пр.) при условии вписывания вспомогательной СУ в габариты моторно – трансмиссионного отделения. Эта задача значительно упрощается, если вспомогательная СУ будет функционально и без излишнего дублирования интегрирована в основную (главную) СУ.

При выборе СУ МТС необходимо также учитывать перспективные тенденции перевода транспорта на альтернативное моторное топливо. В настоящее время основным альтернативным топливом является природный газ (ПГ) в компримированном (КПГ) или сжиженном (СПГ) виде.

Использование природного газа в качестве моторного топлива экономически выгодно. Однако для его широкого практического применения необходимо обеспечить решение двух основополагающих проблем:

- создание инфраструктуры заправки газом,

- размещение на борту достаточного количества топлива.

Эти проблемы взаимосвязаны, т.к. минимальное количество автомобильных газонаполнительных компрессорных станций (АГНКС) зависит от запаса хода между АГНКС, т.е. от запаса ПГ, который можно расположить на транспортном средстве и расхода ПГ двигателем, т.е. эксплуатационного КПД двигателя. Эффективность же АГНКС зависит от объёмов отпускаемого ПГ, т.е. от количества заправляемых автомобилей и запаса ПГ на борту.

Плотность СПГ в 2 раза ниже плотности дизельного топлива. С учетом теплоизоляции и паровой фазы объём бака с СПГ получается в 2,5 – 3 раза больше объёма дизельного топлива при равном запасе энергии. КПГ имеет существенно меньшую плотность энергии и только при давлении в баллоне выше 600 бар может обогнать СПГ. Тем не менее, в эксплуатации КПГ предпочтительнее, т.к. не требует высокой квалификации обслуживающего персонала, а баллоны для КПГ существенно дешевле криогенных баков для СПГ. Важным преимуществом КПГ является отсутствие потерь на дренаж и «захолаживание» криогенной ёмкости при заправке. Поэтому актуальной является задача снижения эксплуатационного расхода топлива и уменьшения объёма СУ транспортного средства для размещения достаточного запаса ПГ.

Для традиционных ДВС эта задача не имеет приемлемого практического решения, а тем более в случае тощих газов. Опыт создания газотурбовоза ГТ1 показывает, что за счет уменьшения объёма двигателя возможно размещение достаточного запаса СПГ. Однако при мощности 8,3 МВт газотурбинный двигатель (ГТД) расходует 2200 кг/ч газа (эффективный КПД ηe = 25,3 %), а на холостом ходе — 535 кг/ч, что ставит под сомнение рациональность применения авиационного ГТД и требует его замены на более эффективную энергоустановку. Применение природного газа является средством повышения экономической эффективности транспорта, поскольку он существенно (на 50 %) дешевле жидкого нефтяного топлива. Однако это не означает повышение энергоэффективности, т.к. газовые двигатели имеют КПД ниже дизелей на традиционном топливе.

Удовлетворительное решение возникших проблем возможно, если удельные массу и объем силовой установки уменьшить в 2 — 5 раз по сравнению с дизелями и снизить эксплуатационный расход топлива. При выполнении этих условий появляется реальная возможность размещения на транспортном средстве природного газа в объеме, достаточном для сохранения запаса хода, аналогичном дизельному топливу.

Комплексное решение проблем транспортных силовых установок возможно лишь в рамках КЭУ. В настоящее время разработкой КЭУ занимаются практически все крупные автопроизводители.

Однако все работы проводятся на традиционной элементной базе (ДВС с кривошипно-шатунным механизмом (КШМ)), что не может обеспечить принципиально нового существенного результата, а требуется увеличить эксплуатационный КПД минимум в 1,5 – 2 раза. Поэтому воспользоваться доступными зарубежными разработками по данной проблеме не имеет смысла в виду их моральной устарелости.

Применение КЭУ позволяет уменьшить установленную мощность и объём первичного двигателя, но при этом появляются дополнительные агрегаты. Выбор рациональной схемы КЭУ в значительной степени определяется типом передачи.

Последние достижения в области теории рабочего процесса комбинированных энергетических установок [ 1 ] указывают на перспективность свободнопоршневых двигателей (СПД) в составе силовой установки. Применение СПД в КЭУ является логичным шагом её дальнейшего совершенствования. В СПД отсутствуют избыточные преобразующие и передающие энергию звенья. С функциональной точки зрения любой механизм между поршнем камеры сгорания и поршнем компрессора является избыточным. Избыточные связи приводят:

- к увеличению массы, объема и стоимости КЭУ,

- к увеличению потерь при преобразовании поступательного движения во вращательное и обратно,

- накладывают дополнительные ограничения на параметры рабочего процесса первичного двигателя.

При сравнении показателей СУ необходимо учитывать все составляющие объекта, объем и масса которых зависит от типа СУ, т.е. с учетом запаса топлива, а также вспомогательных систем (вспомогательный двигатель, аккумуляторные батареи, кондиционер и т.д.). К другим важнейшим показателям СУ МТС относятся тягово-динамические, пусковые и эксплуатационные.

Удельная мощность СУ пропорциональна давлению наддува (в общем случае степени сжатия в компрессоре), поэтому для выбора параметров и схемы СУ воспользуемся диаграммой на рис.1, где приведены зависимости КПД СУ при реализации одного и того же цикла с различным давлением наддува. Из диаграммы следует, что в зависимости от противодавления на выпуске существуют области двигательного и генераторного режимов, разделенные точкой перехода P . Режим работы СУ следует выбирать в зависимости от требуемой удельной мощности.


Рис1. Диаграмма возможных параметров двигателя в зависимости от давления в газосборнике.

Зависимости индикаторного КПД ( i ):

1 – дизеля с переменной степенью сжатия при pmax = 45 МПа, 2 - pmax = 14 МПа,

3 – кривошипного дизеля с фиксированной степенью сжатия при pmax = 14 МПа.

Зависимости КПД комбинированного ДВС по газу ( s ):

4 – свободнопоршневого генератора газа (СПГГ) типа ОР-95 при pmax = 14 МПа, 5 и 6 - современных СПД при pmax = 14 МПа и pmax = 45 МПа соответственно.

P1 , P2 , P3 – точки перехода с двигательного режима на генераторный.
Данная диаграмма объясняет причины застоя в двигателестроении. Кривые 2 и 3 на участке левее точки P2 показывают, почему СПД в двигательном режиме имеют выше КПД, чем кривошипные. Для получения большей удельной мощности СУ необходимо переводить в генераторный режим. Причем средняя эксплуатационная мощность СУ, работающей в генераторном режиме должна находиться на генераторной кривой вблизи максимума КПД, т.е. правее точки перехода.

Область выше и правее кривой 3 представляет перспективу для освоения двигателестроением. Максимальное давление цикла, соответствующее кривым 1 и 6 могут выдержать лишь СПД, поэтому далее рассматриваем только этот тип двигателя.

Из диаграммы следует, что комбинированные свободнопоршневые двигатели (КСПД) всегда (при правильно выбранных параметрах рабочего процесса) будут иметь КПД выше, чем обычные (с изобарной камерой сгорания) ГТД и дизели с кривошипно-шатунным механизмом (КШМ). Опыт работы газотурбинных установок со свободнопоршневыми генераторами газа подтверждает это, а теоретическое объяснение достаточно простое.

КПД ГТД определяется максимальной температурой цикла (Тmax), т.е. жаропрочностью применяемых материалов и степенью расширения газа. В ГТД с изобарной камерой сгорания все детали камеры сгорания и первой ступени турбины находятся постоянно под воздействием максимальной температуры цикла. В дизеле же импульсная камера сгорания, и если ее детали сделать из материалов равной с ГТД жаропрочности, то максимальная температура цикла в дизеле может быть на 500 — 1000 градусов выше, чем в ГТД. Поэтому, заменив изобарную камеру сгорания ГТД на импульсную, можно сделать цикл более экономичным.

По выбросам окислов азота ГТД (при Тmax = 1200 оС) имеют существенные преимущества перед дизелями, но с ростом Тmax это преимущество быстро превращается в свою противоположность. Образование окислов азота имеет термическую природу и их количество зависит от уровня Тmax и времени ее действия. Для удовлетворения нормам «Евро-5» по выбросам окислов азота Тmax в ГТД не может быть больше 1520 — 1550 оС. Причем, превышение данной температуры даже на 50 градусов (в переходном процессе при набросе нагрузки заброс температуры может достигать 150 градусов) приведет к выбросам в 3 — 5 раз превышающим дизельные. Поэтому импульсная камера сгорания при одинаковых выбросах окислов азота на один килограмм проходящего через камеру сгорания воздуха будет иметь Тmax на 250 — 300 градусов выше, чем изобарная и, соответственно, выше КПД. В КСПД суммарная степень расширения газа по опытным данным достигала 700, а у ГТД даже пятого поколения до 40-55. Удельная масса с учетом получасового запаса топлива ГТД пятого поколения и КСПД, состоящего из СПД, силовой турбины и турбокомпрессора, сравняются при давлении наддува в СПД равном 20 бар.

По сравнению с дизелями с КШМ КПД КСПД также заведомо выше. Для ДВС с КШМ опережение начала сгорания топлива всегда меньше оптимального (из-за ограничений по жесткости рабочего процесса и максимальному давлению цикла). В СПД жесткость рабочего процесса и максимальное давление цикла не ограничены в привычном для ДВС с КШМ смысле. Более того, жесткость рабочего процесса (скорость нарастания давления при сгорании) в СПД автоматически ограничивается (на среднем для дизелей уровне) отрицательной обратной связью между скоростью нарастания давления при сгорании и скоростью поршня при его подходе к ВМТ. Вследствие этого подвод тепла производят при оптимальном опережении начала сгорания. Поэтому при одинаковой степени сжатия и полном выгорании топлива индикаторный КПД дизеля СПД всегда выше, чем в ДВС с КШМ, тем более что при прочих равных условиях тепловые потери в СПД ниже вследствие более высоких скоростей поршня и меньшей температуры рабочего тела на участке расширения. Более высокие максимальные давления цикла в СПД (более высокая суммарная степень сжатия) еще больше увеличивают разрыв в экономичности СПД и ДВС с КШМ. Отсутствие в СПД боковых усилий и потерь в КШМ обеспечивает увеличение механического КПД.

Описанная обратная связь и возможность эффективного управления положением ВМТ поршня (степенью сжатия) обуславливают функциональную многотопливность СПД. Это единственный тип двигателя, который может работать с воспламенением от сжатия на газах широкого фракционного состава, включая «жирные» природные газы, попутные нефтяные, генераторные, пиролизные газы, шахтный метан, биогаз, водород и пр. В дизеле с КШМ увеличение содержания метана в смеси на 0,5 % по объему приводит к срыву процесса сгорания вследствие падения показателя политропы сжатия. При свободном поршне снижение показателя политропы сжатия автоматически (поршень остановится в ВМТ только при соблюдении баланса работ за обратный ход) увеличит степень сжатия вплоть до воспламенения топлива.

Оптимальное опережение начала сгорания топлива и применение природного газа устраняет догорание топлива на линии расширения, что способствует снижению тепловых потерь в стенки камеры сгорания и соответственно уменьшению размеров системы охлаждения и затрат энергии на её функционирование.

Более высокие максимальные давления цикла в СПД (более высокая суммарная степень сжатия) и отсутствие диссипативных потерь в кривошипно-шатунном механизме объясняет причины, почему свободнопоршневые дизель - компрессоры (СПДК) в 1,5 – 2 раза [ 2 ] эффективнее поршневых компрессоров с приводом от ДВС с кривошипно-шатунным механизмом.

К этому можно добавить экологический фактор. Работа двигателя на природном газе или водороде с воспламенением от сжатия при переменной степени сжатия позволяет автоматически удовлетворять нормам «Евро-5» и более жестким без систем нейтрализации выпускных газов.

Организация работы СУ по раздельному циклу позволяет существенно увеличить эксплуатационный КПД. Сгорание топлива происходит на расчетных режимах с постоянной мощностью, а необходимую тяговую характеристику обеспечивает расширительная машина. В результате двигатель не глохнет при перегрузе, уменьшается количество передач в коробке или она полностью исключается, что снижает утомляемость водителя и повышает безопасность движения.

СПД обладают высокими динамическими показателями (приемистостью) при отсутствии дымления. Отсутствие инерционных масс на свободном поршне обеспечивает незначительный (до 10%) провал коэффициента избытка воздуха при набросе нагрузки. Для поршневых компрессоров СПД характерна подача воздуха с забросом при приеме нагрузки.

Другой важный показатель СУ МТС это пусковая готовность. Для СПД время от начала запуска до выхода на холостой ход составляет 3 цикла, т.е. 0,1 – 0,2 с при минус 60ºС без предварительного подогрева. Запуск СПД производиться с первого цикла, поэтому расход сжатого воздуха незначителен. Для удаления перед запуском воздуха из топливной системы достаточно ручной прокачки, т.е. аккумуляторные батареи и прокачка масла в чрезвычайной ситуации не требуются.

Независимость мощности СПД от разрежения на всасывании, противодавления на выхлопе, температуры окружающей среды является важным качеством для СУ. В обычной комплектации СПД обеспечивает надежную и устойчивую работу СУ при увеличении сопротивлений на всасывании и выхлопе в 3 – 5 раз по сравнению со штатным режимом.

При использовании СПД в качестве первичного двигателя в КЭУ он (СПД) может использоваться в двигательном, генераторном или комбинированном режиме. В двигательном режиме вся энергия потребляется на привод электрогенератора, гидронасоса или компрессора в зависимости от типа применяемой передачи. В генераторном режиме вся энергия дизеля тратится на наддув (производство рабочего тела в виде продуктов сгорания).

Схемы использования СПД в качестве главных и вспомогательных СУ МТС могут быть следующие:

1. СПД с линейным электрогенератором в качестве вспомогательной или главной СУ МТС. Пригоден для МТС с электропередачей, в частности для многоосных тягачей с групповым электроприводом.

2. Свободнопоршневой дизель-гидронасос (СПДГН) для полнопоточного или комбинированного объемного гидропривода.

3. КЭУ с СПД в генераторном режиме с силовой турбиной или объёмной расширительной машиной (ОРМ).

4. Произвольные комбинации предыдущих вариантов.

Во всех случаях возможно рекуперативное торможение и аккумулирование электрической энергии или рабочего тела.

Отсутствие надежного и экономичного линейного электрогенератора ограничивает применение первой схемы. К тому же вынесенный за пределы поршня тяжёлый якорь генератора снижает (приблизительно на 40%) собственную частоту автоколебаний поршня и мощность СПД.

Для сравнительной оценки прочих направлений ниже приведены зависимости эффективного КПД различных газовых двигателей при одинаковых: полезном рабочем объёме и частоте циклов (1 – газовый ДВС с кривошипно - шатунным механизмом (ограничительная линия максимального КПД), 2 – СПД в двигательном режиме, 3 – КЭУ с СПД в генераторном режиме) на валах соответственно двигателя (рис.2) и осевого редуктора (главной передачи) гибридной СУ (рис.3). Для газопоршневого ДВС принята последовательная схема КЭУ с КПД электропередачи 0,8. Для СПД - КПД гидропередачи 0,9.

Из рис.2 следует, что номинальная мощность генераторного режима в 4 раза выше двигательного (при одинаковых КПД и среднем индикаторном давлении).

Представленные зависимости показывают, что применение последовательной схемы КЭУ в основном (кроме специальных случаев) не рационально. Характер представленных зависимостей определяется параметрами турбокомпрессора и для различных диапазонов мощности кривые КПД могут незначительно деформироваться. Падение КПД (кривая 2) обусловлено уменьшением степени сжатия с ростом давления наддува при фиксированном максимальном давлении цикла. Эффективность турбонаддува двигателей резко снижается с падением мощности установки и для мощностей до 30 – 40 кВт он практически не применяется.

Рис.2.


Рис.3
С целью достоверного суждения о наиболее рациональной схеме КЭУ разработаны конструкции и определены характеристики СПД, выполненных по несимметричной схеме и работающих в двигательном (Д) и генераторном (Г) режимах. В таблице приведены основные данные по сравниваемым СПД, а на рис. 4,5,6 их нагрузочные характеристики (эффективный КПД на валу главной передачи). В качестве тяговых двигателей используются ОРМ или гидромотор (ГМ). Номинальная частота вращения выходного вала тягового двигателя принята 3000 об/мин, что соответствует приводу синхронного электрогенератора промышленной частоты, причем с минимальным числом пар полюсов.

В случае КЭУ с гидравлической передачей в качестве тягового двигателя используется простой и эффективный нерегулируемый ролико – лопастной гидромотор. Режимы рекуперативного торможения обеспечиваются изменением направления потоков жидкости простым переключением гидрораспределителя. Тяговую характеристику обеспечивает СПДГН.

В КЭУ с пневматической передачей тяговую характеристику обеспечивает ОРМ, габариты и масса которой существенно зависят от необходимого запаса крутящего момента. Для обеспечения непрерывного тягового момента с нулевых оборотов в ОРМ однократного действия должно быть не менее трех цилиндров. Это может быть рядная ОРМ или звездообразная. В случае ОРМ двойного действия достаточно двух цилиндров. По условиям уравновешивания наиболее рациональная схема - V-образная с углом развала 90 градусов. Масса ОРМ приведена для случая выполнения её только из черных металлов при запасе крутящего момента 2 (необходимый рабочий объём ОРМ пропорционален требуемому запасу крутящего момента на валу).




Тип СПД

П38НС

ПГН50

П50НС

ПГН105

ПГН105Н

П105НС

Диаметр цилиндра двигателя, мм

38

50

50

105

105

105

Номинальный ход поршня, мм

83

106

106

106

106

106

Длина, мм

250

485

260

530

530

350

Ширина, мм

250

346

260

420

420

320

Высота, мм

515

587

587

645

645

645

Масса, кг

36

47

63

110

118

134

Мощность номинального режима, кВт

7,9

7,9

55

34

56

235

Частота циклов (в мин) номинального режима

4500

4890

5220

4750

5510

5500

Режим работы

Г

Д

Г

Д

Д

Г

Тип тягового двигателя

ОРМ

ГМ

ОРМ

ГМ

ГМ

ОРМ

Масса тягового двигателя

12

6

45

19

19

118

Число цилиндров ОРМ

3




3







2

Расположение цилиндров ОРМ

рядное




рядное







2V90°



Рис. 4. Характеристики КЭУ с СПД П38НС (1) и СПДГН ПГН50 (2).



Рис. 6. Характеристики КЭУ с СПДГН без наддува ПГН105 (1),

СПДГН с наддувом ПГН105Н (2) и СПД П50НС (3).
Из приведенных на рис. 4, 5 зависимостей эффективного КПД и сравнения удельных мощностей КЭУ следует, что работа СПД по генераторной схеме имеет преимущества. Однако с учетом условий работы и простоты конструкции ГМ КЭУ с гидравлической передачей выглядит предпочтительнее, во всяком случае, для диапазона мощностей до 30 – 40 кВт.

До 75 – 100 кВт переходная область, где возможен и двигательный и генераторный режимы работы СПД. Для больших мощностей наиболее рациональна КЭУ с СПД, работающем в генераторном режиме и с ОРМ двойного действия.

Во всех рассмотренных случаях применение турбокомпрессора благоприятно сказывается на нагрузочной характеристике КЭУ с СПД.

Конструктивная проработка КЭУ (без турбокомпрессора) с гидравлической передачей и газовой передачей (СПД в генераторном режиме) показывает, что габаритные размеры и масса этих вариантов КЭУ отличаются незначительно. При наличии серийного турбокомпрессора КЭУ с СПД в генераторном режиме имеет существенные преимущества.

Таким образом, для окончательного выбора типа КЭУ определяющими являются прочие факторы, а в случае вспомогательной СУ условия интегрирования её в главную СУ.

Положительные особенности КЭУ с гидравлической передачей:

- наличие серийного гидромотора,

- простота управления.

К недостаткам следует отнести:

- наличие промежуточного рабочего тела (масла) и аккумулирующей среды (азота), утечки которых необходимо пополнять,

- значительные объёмы гидроаккумуляторов, находящихся под высоким давлением.

ЛИТЕРАТУРА
1. Иващенко Н.А., Петров П.П. Всеядный двигатель. Диаграмма возможных режимов работы комбинированных энергоустановок. - АГЗК + АТ, 2009, № 4 (46), с. 3 - 8.

2. Свободнопоршневые двигатель - компрессоры для газовой промышленности. / Васильев Ю.Н., Ксенофонтов С.И., Стрелков В.П., Строганов Е.К. – Газовая промышленность, 1992, № 2, с.17 – 18.








Смотрите также:
П. П. Петров, А. М. Савенков, А. И. Савицкий, С. П. Петров, нпф
157.31kb.
1 стр.
И. Ефимов, Д. Петров аркадий северный, советский союз! Игорь Ефимов, Дмитрий Петров
2939.32kb.
12 стр.
Заявитель: Петров Владимир Владимирович
368.36kb.
1 стр.
Ю. Н. Петров Научная школа «Непрерывное инженерно-педагогическое образование»
1152.91kb.
13 стр.
Декан ит /Петров А. Б
95.6kb.
1 стр.
Петров Василий Петрович
20.05kb.
1 стр.
Новая постиндустриальная волна на Западе
8057.15kb.
54 стр.
Воспоминания Филипсона
165.92kb.
1 стр.
Илья Ильф и Евгений Петров. Двенадцать стульев (1956г.)
4611.47kb.
39 стр.
Илья Ильф, Евгений Петров Двенадцать стульев
3757.97kb.
34 стр.
Илья Ильф, Евгений Петров. 1001 день, или новая Шахерезада
524.61kb.
3 стр.
Илья Ильф. Евгений Петров Золотой теленок
916.93kb.
6 стр.