Актуальные проблемы автомобильного транспорта

В корпусе нагнетателя вращается ведущий ротор, имеющий четыре винтовых зуба с большим углом наклона спирали. Зубья входят в выемки ведомого ротора. Количество выемок шесть. При вращении зубья роторов не касаются друг друга, что обеспечивается синхронизирующими шестернями. Управление впуском и выпуском воздуха осуществляется с помощью профилей зубьев, которые периодически открывают впускное и выпускное окна в корпусе нагнетателя.

К преимуществам винтового нагнетателя относятся высокие надежность и долговечность, а также уравновешенность. Возможность достижения максимального повышения давления наддува р_k в диапазоне частот от n_min=1000 мин^-1 до n = 1300 мин^-1 (0,4n_ном ) при механической связи с коленчатым валом двигателя обеспечивает высокие динамические качества автомобиля (отсутствует «турбопровал», характерный для систем газотурбинного наддува). Отсутствует также зона неустойчивой работы (нет помпажа).

Основным недостатком винтовых нагнетателей следует считать сложность формы роторов, изготовление которых требует специальной оснастки. Трудными задачами при производстве винтовых нагнетателей являются подбор профилей ведущего и ведомого роторов, оптимального количества зубьев и обеспечения минимальных зазоров. По сравнению с турбокомпрессорами этим нагнетателям присущи также относительно большие габариты и масса. Максимальный КПД, достигнутый в винтовых нагнетателях, равен η_{k max} = 0,70, а минимальный вес доведен до 3,8 кг.

Винтовые нагнетатели могут иметь большую частоту вращения: ведомый ротор до 12000 мин^-1, а в некоторых моделях даже до 40000 мин^-1. Это позволяет использовать для привода нагнетателя турбину, работающую от выпускных газов двигателя. Однако высокие частоты вращения роторов нагнетателя обусловливают определенные сложности обеспечения их надежности при пуске двигателя.

Применение турбины для привода винтового нагнетателя в составе агрегата наддува автомобильных двигателей осложняется высокими частотами вращения рабочего колеса турбины, от 80000 до 200000 мин^-1. Хотя эту проблему позволяет решить червячная передача, но в этом случае перпендикулярность валов усложняет компоновку агрегата наддува на двигателе.

Однако самым негативным фактором привода винтового нагнетателя от турбины, работающей от выпускных газов, является неизбежное появление «турбоямы». Это обусловлено большой инерционностью турбины. Применение же регулирования турбины и электронного управления делает такой агрегат наддува не конкурентно способным. Поэтому к настоящему моменту применение турбины для привода винтового нагнетателя не целесообразно и вряд ли будет реализовано.

1. Патрахальцев Н.Н. Наддув двигателей внутреннего сгорания: Учеб. пособие.-М.: Изд-во РУДН, 2003.- 319 с. ISBN 5209015017.

2. Хак Г. Турбодвигатели и компрессоры: справ. пособие / Г. Хак, Лангкабель. – М.: ООО “Издательство Астрель”: ООО “Издательство АСТ”, 2003. – 351 с.

УДК 662.7 Кузнецов А.А., группа ЭН-112, ВлГУ

Научный руководитель доцент Басуров В.М.
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОДОРОДА В КАЧЕСТВЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ТОПЛИВА
Разработка, конструирование и производство новых типов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) неизбежно связано не только с получением их высоких энергоэкономических показателей, но и с повышенными требованиями к экологии. Использование углеводородных топлив не способствует полному устранению выбросов CH. NO_x и CO с отработавшими газами. Замена традиционного топлива на альтернативные, в частности, на водород, способна решить эту проблему. Сложность лишь заключается в его получении, хранении и использовании на ДВС. Основные преимущества водорода это - экологичность, неограниченные ресурсы, высокие энергетические показатели.

Существуют многочисленные способы получения водорода из воды, например, с помощью электронно-топливного аппарата (патент РФ RU205986), заключающийся в том, что водород получается путем электролиза воды в смеси с электролитом (200 г и 150 г соответственно), при заправке аппарата. Достоинство этого способа состоит в том, что получаемый водород подается непосредственно во впускной трубопровод. Это по утверждению изобретателей позволяет экономить до 20% бензина, что весьма сомнительно, так как энергия, затраченная на получение газа не сможет компенсировать энергию, вырабатываемую полученным водородом.

Заслуживает внимание использование водорода на автомобилях с целью получения с его помощью электроэнергии в топливных элементах и использование её в электроприводе на колёса. Однако такой способ дорогой и требует значительного изменения и усложнения конструкции автомобиля и увеличения его массы (наличие баллонов, электромотора, топливных ячеек, систем дополнительного управления).

В последнее время начались разработки технологии по выделению водорода из морской воды в процессе удаления углекислого газа из карбонатов. Процесс проходит электрохимическим путём. При этом получаемая смесь газов проходит через реакторную установку с катализатором, в результате чего образуются жидкие углеводороды. Установка громоздкая и не может быть непосредственно использована на автомобиле.

Известны способы получения водорода в электролизёрах с электродами, вращающимися между магнитами электромагнитной системы (патент RU 2309198С1 от 27.10.2007). Все эти методы приводят к нагреву водорода до высоких температур за счет токов Фуко, что требует его охлаждения перед подачей в ДВС.

Предложено так же использование генераторов водородно – теплового насоса для масштабного производства водорода и их установку на заправочных автостанциях (патент WO/2011/049542, PCT/UA2010/000060). Это схема получения водорода относительно не дорогая, около 70 рублей за 1 кг, но его можно использовать только в сжатом или сжиженном виде в баллонах.

Из рассмотрения и анализа других многочисленных схем получения водорода наибольший интерес представляет водородная ячейка Стенли Мейера, работающая по принципу электролиза. Она отличается тем, что для производства водорода необходим ток, измеряемый миллиамперами в отличие от десятков ампер известный аналогов. Кроме того эта ячейка не требует катализаторов, так как вода здесь не является электролитом. В результате получаемый газ не нагревается, что важно при его непосредственном использовании в ДВС. Конструктивно ячейка выполнена просто: на стальные электроды в виде параллельных пластин с зазором 1,5 мм действует внешняя индуктивность, образующая колебательный контур с ёмкостью ячейки в результате создается параллельная резонансная схема. Возбуждение создаётся генератором. Высокие частоты ступенчато увеличивают потенциал на электродах до десятков тысяч вольт до того мгновения, когда молекула воды начинает распадаться. В этот момент возникает импульс электротока и схема запирает источник импульсов, в результате чего вода восстанавливается. Далее процесс повторяется. Производительность ячейки составляет около 0,5 литров в секунду и может быть повышена. Максимальный выход газа достигается при резонансе частот молекул и возбуждающей частоты. Преимущества такого способа:

- минимальная сила тока (миллиамперы),

- получаемый водород и установка не нагреваются,

- высокая производительность, которую можно контролировать положением электродов или напряжением,

- не требуются катализаторы (вода может быть любой, но чистой).

Таким образом, последний способ получения водорода позволяет использовать его непосредственно на автомобилях после некоторой их модернизации.

1. Фатеев В. Н., Григорьев С. А. и др. Производство водорода методом электролиза// Водородное материаловедение и химия гидридов металлов. Киев, 2001. С. 790 – 791.

2. Пономарев - Степной Н. Н., Пахомов В.П. Водородная экономика и будущее человечества //В мире науки. № 7. 2006.

УДК 621.43 Анисимов А.А., группа ЭНм-113, ВлГУ

Научный руководитель заведующей кафедрой ТДиЭУ Гуськов В.Ф.
АНАЛИЗ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

ПРИ РАБОТЕ НА ГЕНЕРАТОРНОМ ГАЗЕ
Под газификацией понимается высокотемпературный процесс взаимодействия газифицирующих агентов (воздуха, водяного пара, газов, тепла) с горючей частью различных веществ с целью получения горючих или сырьевых твердых продуктов, газов и жидкостей.

Современные технологии газификации весьма разнообразны и могут включать несколько принципиально отличающихся по физической и химической сущности процессов, протекающих одновременно или последовательно.

Процессы газификации являются одним из эффективных способов практического получения моторного или энергетического газа из местных видов сырья с минимальной теплотой сгорания от 9,2...10,0 МДж/кг и значительной зольностью и влажностью: средне- и малокалорийные местные виды топлива (в том числе битуминозные - торф, сланцы, низкосортные угли, природные битумы), органические вещества различного происхождения и ТБО (опилки, щепа, активный ил и шламы с очистных сооружений, отходы растениеводства, животноводства, разведения птицы (шелуха, костра, лузга, солома, лиственный опад, экскременты и т.д.) [1, 2, 3, 4, 5]. Так по данным [1]: ”…надлежащим образом спроектированный газогенератор может быть использован для производства топливного газа из любых твердых органических отходов или биомассы…“.

В ряде источников отмечается также значительные преимущества энергетической утилизации органический веществ и отходов путем газификации. Эффективной газификации можно подвергать отходы древесины с содержанием влаги до 70%, торфа до 90%, водоросли - более 80%, не перегнившие осадки сточных вод с содержанием влаги более 75% [1,6]. На допустимое и оптимальное содержание влаги существенно влияет элементарный и химический состав топлива.

Эффективное непосредственное сжигание значительной части вышеперечисленных веществ либо практически невозможно или требует дополнительного сжигания 0,15…0,35 кг условного топлива на 1 кг отходов [1,5].

Процессы газификации обеспечивают [1, 3, 5, 6, 7]:

- более безопасную и полную утилизацию отходов;

- снижение эмиссии парниковых газов;

- возможность получение целевых продуктов и газов.
Классические газогенераторы для получения газообразного моторного топлива по способу подачи газифицирующего агента и организация движения газифицируемого вещества разделяют:

- прямого процесса (с восходящим потоком)

- обращенного процесса (с нисходящим потоком)

- двухзонного процесса (как сочетания двух выше перечисленных)

- горизонтального процесса (с поперечным потоком)

В табл. 1 приведены сравнительные показатели традиционных и нетрадиционных видов моторных топлив [7, 8, 9].

Таблица 1

Показатели традиционных и нетрадиционных видов моторных топлив

** указано объемное стехиометрическое количество воздуха, м³/м³

1. Несмотря на значительно более низкую теплоту сгорания исходного генераторного газа (4,5-6,9 МДж/м³) по сравнению с жидким моторным топливом (43,5-45 МДж/кг) теплота сгорания стехиометрической смеси отличается в значительно меньшей степени: соответственно 2275-2700 КДж/м³ и 3400-3550 КДж/м³.

2. Теплота сгорания рабочего состава смеси генераторного газа с воздухом (при  = 1,05-1,15 H_u = 2060-2570 КДж/м³) практически равнозначна аналогичной для дизельного топлива в дизелях без надува (при  = 1,6-1,78 H_u = 1910-2150 КДж/м³) и незначительно уступает бензовоздушным смесям в двигателях с принудительным воспламенением – форкамерных и с расслоением заряда (при  = 1,25…1,35 H_u = 2600-2840 КДж/м³).

3. Более низкая температура сгорания, высокое октановое число, высокая температура воспламенения, низкое стехиометрическое количество воздуха создают предпосылки эффективного использования генераторных газов в качестве моторного топлива.

Для анализа показателей выполнены расчеты рабочих процессов различных типов двигателей на конструкционной базе дизеля 4Ч10,5/12.

Расчеты выполнялись на программах моделирования рабочих процессов двигателей разработанных д.т.н., проф. Гавриловым А.А.

Расчетные исследования проводились для следующих типов двигателей:

1. Дизель на стандартном дизельном топливе – базовая модификация.

2. Газодизельный двигатель на природном газе.

3. Газовый двигатель с принудительным воспламенением на природном газе ( = 8,5-9,5;  = 1,00-1,05).

4. Газовый двигатель с форкамерой и расслоением заряда на природном газе ( = 10,0-11,5;  = 1,15-1,35).

5. Газовый двигатель с принудительным воспламенением на генераторном газе ( = 9,5-12,0;  = 1,00-1,05).

6. Газовый двигатель с принудительным воспламенением на биогазе ( = 8,5-10,5;  = 1,00-1,15).

Для всех вышеперечисленных типов двигателей приняты следующие положения.

1. Предварительная эскизная, опытно-конструкторская проработка конструкции базового двигателя с целью оценки практической возможности конвертации по данному типу (с внесением изменений в конструкцию, доработкой основных деталей базового двигателя и установкой дополнительного оборудования).

2. Для всех двигателей принята частота вращения коленчатого вала 1500 мин^-1 (генераторный режим).

3. Элементарный химический состав дизельного топлива и природного газа – стандартный.

Для сухого генераторного газа принят следующий состав (расчетный для торфобрикетов с низким содержанием битумов) [8]: СО – 17,5%, Н₂ – 15,5%, СО₂ – 10,5%, СН₄ – 1,5%, N₂ – 55%, низшая теплотворная способность H_u = 4713 кДж/м³.

Для сухого биогаза принят следующий состав: СО₂ – 30%, СН₄ – 65%, N₂ – 5%, низшая теплотворная способность H_u = 23,2 МДж/м³.

Результаты расчетных исследований приведены в табл. 2

Таблица 2