Повышение характеристик автомобильного двигателя за счет агрегата наддува с обратимой электрической машиной

Размещено на http://www.allbest.ru/

Повышение характеристик автомобильного двигателя за счет агрегата наддува с обратимой электрической машиной

Изембаева А.К.

студент гр. ДМ-227

Российский государственный аграрный университет МСХА

им. К.А. Тимирязева (г. Москва, Россия)

Аннотация

Более строгие нормы расхода топлива и выбросов вынуждают производителей и поставщиков автомобилей во всем мире разрабатывать более эффективные автомобильные системы. Уменьшение размера двигателя за счет наддува вызвало значительный интерес из-за преимуществ более низкой стоимости топлива и снижения выбросов загрязняющих веществ с заметным приростом производительности. Системы наддува, в которых используются как объемные, так и турбокомпрессоры, обычно страдают от «линейного наддува», неэффективности и отсутствия долговечности. В настоящей статье, автором предпринята попытка научного анализа и критического осмысления проблемы повышения характеристик автомобильного двигателя за счет агрегата наддува с обратимой электрической машиной.

Ключевые слова: характеристики автомобильного двигателя, повышение характеристик двигателя, система наддува, надув с обратимой электрической машиной.

Abstract

Izembayeva A.K.

Russian State Agrarian University Moscow State Agricultural Academy named after K.A. Timiryazev

(Moscow, Russia)

IMPROVING THE CHARACTERISTICS OF AN AUTOMOBILE ENGINE DUE TO A BOOST UNIT WITH A REVERSIBLE ELECTRIC MACHINE

Stricter fuel consumption and emissions standards are forcing car manufacturers and suppliers around the world to develop more efficient automotive systems. The reduction in engine size due to supercharging has aroused considerable interest due to the advantages of lower fuel costs and reduced emissions of pollutants with a noticeable increase in productivity. Boost systems that use both volumetric and turbochargers usually suffer from "linear boost", inefficiency and lack of durability. In this article, the author attempts a scientific analysis and critical understanding of the problem of improving the characteristics of an automobile engine due to a boost unit with a reversible electric machine.

Keywords: characteristics of automobile engine, improvement of engine characteristics, boost system, inflating with reversible electric machine.

Для снижения выбросов CO2 уменьшение размеров двигателя представляется многообещающим способом повышения эффективности двигателя и поэтому все чаще применяется к имеющимся транспортным средствам. Уменьшение размеров двигателя означает уменьшение рабочего объема двигателя без ущерба для управляемости. Такой двигатель обеспечивает лучшую экономию топлива в официальных ездовых циклах, а также в реальных условиях эксплуатации. [3, с. 67]

Причина такого улучшения топливной экономичности заключается в том, что двигатель может работать при относительно более высокой нагрузке при той же потребляемой мощности. Использование двигателя меньшего размера означает меньшие потери на трение и дросселирование, особенно при низком потреблении мощности, когда КПД больших бензиновых двигателей обычно низок. [2, с. 37]

Для повышения удельной мощности двигателя по крутящему моменту и мощности существуют различные технологические приемы. Одним из способов достижения этого является увеличение давления воздуха, поступающего в цилиндры двигателя внутреннего сгорания, что обычно называется «наддувом». Для этой зарядки требуется компрессор на входе в двигатель. В турбокомпрессоре компрессор приводится в движение турбиной в потоке выхлопных газов, который, в свою очередь, приводится в движение выхлопными газами. Затем это колесо компрессора увеличивает давление воздуха на впуске двигателя, тем самым увеличивая крутящий момент и мощность. [6, с. 56]

Повышение эффективности достигается за счет возможности замены более крупного двигателя меньшим двигателем с турбонаддувом. В нагнетателе механический компрессор обычно приводится в движение ремнем от коленчатого вала и не использует энергию выхлопных газов. Как правило, это объемные компрессоры с механическим приводом от двигателя, поэтому их работа зависит от частоты вращения двигателя. Они постоянно обеспечивают наддув, что обеспечивает большую мощность за счет более высокого расхода топлива.

Альтернативной технологией является нагнетатель с электрическим приводом (EDS), который представляет собой компрессор, приводимый в действие электродвигателем. Независимость от частоты вращения двигателя позволяет двигателю обеспечивать большую мощность только тогда, когда это требуется. Основное внимание в этой работе уделяется небольшим двигателям, а при существующей компрессорной технологии требуемая скорость для EDS очень высока (175 тыс. об/мин). Высокие скорости приводят к проблемам с двигателями, приводами и подшипниками, что приводит к увеличению затрат и снижению надежности. Именно здесь применение низкоскоростного турбокомпрессора TurboClaw™, который работает с расходами, обычно обеспечиваемыми объемным нагнетателем, становится интересной технологией наддува двигателя.

Система включает в себя инновационный турбокомпрессор с низкой удельной скоростью, приводимый в движение бесщеточным двигателем постоянного тока. Работа системы была смоделирована для снижения расхода топлива на бензиновом двигателе объемом 1,0 л с наддувом в автомобиле сегмента B по сравнению с двигателем без наддува (NA) объемом 1,4 л при сохранении производительности автомобиля. Была разработана и интегрирована в систему стратегия управления системой. Были построены прототип и специально разработанная испытательная установка, а функциональность управления была протестирована на установке «Аппаратное обеспечение в контуре» (HiL).

Турбокомпрессоры предлагают меньшее количество деталей и стоимость по сравнению с объемными компрессорами и предпочтительнее поршневых, винтовых и спиральных компрессоров для высокой производительности. Однако турбокомпрессоры не подходят для приложений с низким расходом, таких как сжатие газового топлива, системы управления воздухом в топливных элементах и заключительные ступени многоступенчатых промышленных компрессоров. Низкий расход требует малых диаметров, но работает на чрезвычайно высокой скорости для достижения высокого давления, что приводит к высокой стоимости приводов и подшипников и низкой эффективности. [5, с. 23]

Технология TurboClaw представляет собой конструкцию с кожухом и обратной стреловидностью турбомашины с инновационным профилем лопастей.

TurboClaw работает при гораздо более низких скоростях вращения ротора, чем обычные радиальные компрессоры для низких скоростей потока, снижая напряжения и шум, присущие конструкции. Работа на более низкой скорости также повышает эксплуатационную надежность и позволяет использовать стандартные подшипники и технологию двигателя. Геометрия крыльчатки TurboQawпроста, требует обычных материалов и обеспечивает низкую себестоимость производства. TurboClaw - это турбомашина с низкой удельной скоростью. На рисунке 1 показана конструкция.

Рисунок 1: Колесо компрессора TurboClaw™ (2 размера)

Инновация TurboQawимеет следующие преимущества: [1, с. 12]

1. Компактность, низкая удельная скорость, работа без масла;

2. Приводится в действие непосредственно электродвигателем;

3. Высокая надежность, присущая низкой скорости, малому количеству деталей и работе с одним валом;

4. Потенциально ближе по эффективности к обычным турбомашинам, чем к машинам объемного типа;

5. Не требует сверхскоростных подшипников и технологии двигателя/привода, что снижает стоимость и эффективность;

6. Умеренная скорость наконечника с более низким уровнем шума, загрязняющих веществ и нагрузок.

Требуемый крутящий момент двигателя определяется в зависимости от педали акселератора. Желаемый крутящий момент и частота вращения двигателя используются для отображения желаемого давления в коллекторе и наддува. Требуемая скорость компрессора отправляется на контроллер EDS в аппаратном симуляторе, который, в свою очередь, изменяет скорость EDS для регулировки выходного давления.

Был изготовлен прототип и специально спроектированный испытательный стенд для проведения моделирования HIL с целью тестирования и проверки разработанной стратегии управления.

На рис. 2. показаны характеристики контроллера и прототипа компрессора при моделировании HIL. В моделировании скорость двигателя и педаль акселератора являются переменными, вводимыми пользователем. [4, с. 44]

Для различных оборотов двигателя и положения педали акселератора желаемое давление наддува изменяется для обеспечения необходимого крутящего момента. Как видно, измеренное давление наддува точно соответствует желаемому давлению наддува. Также контроль наддува активен только при значениях педали акселератора выше 35%. Когда активен контроль наддува, активен регулятор массового расхода, так как массовый расход в буровой установке почти равен нулю, когда компрессор не работает.

В этой статье представлены результаты EDS с использованием запатентованной технологии TurboClaw для уменьшения размеров двигателя.

Преимущество системы EDS заключается в снижении расхода топлива, необходимого для движения легкового автомобиля, при одновременном повышении производительности автомобиля по сравнению с автомобилями с двигателем NA.

Результаты показывают, что значительный выигрыш в экономии топлива может быть достигнут за счет двигателя 1,0 л NA уменьшенного размера по сравнению с исходным 1,4 л NA на автомобиле B-сегмента, при этом достигается аналогичный уровень производительности автомобиля при применении EDS.

Другие возможности, такие как использование системы в сочетании с турбокомпрессором, были кратко исследованы, и необходимо провести дополнительную работу, чтобы оценить преимущества и пригодность EDS в этих условиях.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

автомобильный двигатель наддув электрический

1. Богданов В.И., Холманова М.А. Возможные концептуальные направления совершенствования транспортных ДВС // Sciences of Europe. 2020. №49-1 (49). - С. 12.

2. Богданов В.И., Холманова М.А. Возможные концептуальные направления совершенствования транспортных ДВС // Известия вузов. Машиностроение. 2020. №11 (728). - С. 37.

3. Боровиков А. В., Салова Т. Ю., Хакимов Р. Т. Влияние турбонаддува двигателя на его экологические характеристики при работе на неустановившихся режимах // ТДР. 2020. №1. - С. 67.

4. Илларионов В.В., Грищенко С.А., Санникова С.М., Басарев М.В. Система наддува для силовых установок перспективных средств наземного обслуживания общего применения воздушных судов // Воздушно-космические силы. Теория и практика. 2021. №20. - С. 44.

5. Марков В.А. Теплоэнергетические установки и их системы автоматического управления и регулирования // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2020. №6 (135). - С. 23.

6. Химич В.Л., Епифанов Д.В., Выбор системы наддува в зависимости от требований экологических стандартов и уровня форсирования быстроходного автомобильного дизеля // Вестник УГАТУ = Vestnik UGATU. 2018. №5 (40). - С. 56.

Размещено на Allbest.ru