КОМПЛЕКСНОЕ РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ
И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ДВИГАТЕЛЕЙ
Партнеры: ОАО «КАМАЗ», АНТЦ им. А.Н. Туполева, МГТУ
им. Н.Э. Баумана
Диаграмма возможных параметров многотопливной силовой
установки в зависимости от давления в газосборнике
- точка номинального режима СПГГ GS-34.
P1 , … , P4 – точки перехода с двигательного режима на генераторный.
Зависимости индикаторного КПД (
):
1 – дизеля с переменной степенью сжатия при pmax = 45 МПа, 2 - pmax
= 25 МПа, 3 - pmax = 14 МПа,
4 – дизеля с фиксированной степенью сжатия при pmax = 14 МПа.
Зависимости адиабатного КПД (
)
СУ, работающей в генераторном режиме (определяется как отношение
работы адиабатного расширения продуктов сгорания к теплоте, внесенной
с топливом):
5 – СПГГ типа ОР-95 при pmax = 14 МПа,
6,7 и 8 - современных СПД при pmax = 14 МПа, 25 МПа и 45 МПа соответственно.
Преимущества СПД
- организация и условия протекания рабочего процесса
в СПД обеспечивают высокие КПД и динамические показатели при отсутствии
дымления (сажи) (преимущества свободного поршня в дизеле заключаются
в оптимальном теплоподводе, отсутствии ограничений на жесткость
и максимальное давление цикла, высокий механический КПД, незначительный
(до 10%) провал коэффициента избытка воздуха при набросе нагрузки);
- многотопливность, возможность применения низкосортных альтернативных
топлив и газов произвольного состава, включая сбросные и тощие (содержание
метана более 10 – 20 % без потери мощности) с воспламенением от
сжатия;
- динамическая уравновешенность, отсутствие вибраций и фундамента;
- низкие затраты при эксплуатации и ремонте;
- высокие пусковые качества при низких температурах;
- возможность отключения одного или нескольких СПД без остановки
остальных;
возможность повышения давления наддува и максимального давления
сгорания;
- простота, надежность и технологичность конструкции;
- удобство компоновки в пространстве. Модульный принцип компоновки.
Удельная массовая и габаритная мощность в 4
– 9 раз выше дизелей.
Схема комбинированной энергетической установки (КЭУ)
со свободнопоршневым двигателем (СПД)
Д – дизель, БВД – буфер, К1, К2 – первая и вторая
ступени поршневого компрессора, РМ – расширительная машина, ТК –
турбокомпрессор, Pe – эффективная мощность, pq1 – давление в газосборнике.
Нагрузочные характеристики КЭУ на природном газе при
последовательной и параллельной работе модулей СПД
Характеристики различных энергоустановок
|
Тип силовой установки
|
ГТУ с СПГГ
|
ГТД НК-361
|
КЭУ
|
ГТД1000
|
КЭУ
|
| Состав силовой установки (СУ) |
4 СПГГ ОР-95 и силовая турбина
|
Двухвальный ГТД со свободной
силовой турбиной
|
2 СПД П320, силовая турбина,
турбокомпрессор
|
|
2 СПД 1МП120, объёмная РМ,
турбокомпрессор
|
| Максимальная мощность, кВт |
2206
|
8300
|
10100
|
1000
|
1200
|
| Температура газа перед турбиной, К |
800
|
1157
|
1056
|
1220
|
1070
|
| Расход воздуха, кг/с |
9,2
|
56,5
|
22
|
5
|
2,3
|
| Масса СУ, т |
27
|
|
12
|
5
|
1,2
|
| Топливо |
Дизельное,
сырая нефть
|
Сжиженный природный газ (СПГ)
|
Любое жидкое или газообразное
|
КПГ
|
Любое жидкое или газообразное
|
Нагрузочные характеристики различных энергоустановок
–
эффективный КПД,
Pe
– эффективная мощность.
1 – ГТД НК 361;
2 – ГТУ со свободнопоршневым генератором газа (СПГГ);
3 – ГТД1000 (проект МПП «Салют»);
4 – дизель Д49;
5 – ГТД с 3 регенераторами (проект ЦИАМ - ВНИИЖТ);
6 – КЭУ;
7 – КЭУ с 1 регенератором.
Нагрузочные характеристики газовых двигателей
Зависимости эффективный КПД для различных типов ДВС при одинаковых
полезном объёме и частоте циклов.
1 – газовый ДВС с КШМ (электропередача с КПД
= 0,8);
2 – СПД в двигательном режиме (гидропередача с КПД = 0,9);
3 – КЭУ с СПД «П85» в генераторном режиме.
Нагрузочные характеристики различных энергоустановок
Зависимости эффективного КПД для различных типов ДВС при одинаковых:
полезном объёме и частоте циклов.
1 – газовый ДВС с КШМ (электропередача с КПД
= 0,8);
2 – СПД в двигательном режиме (гидропередача с КПД = 0,9);
3 – КЭУ с СПД «П95» в генераторном режиме.
Схема гибридной силовой установки, обеспечивающей
Евро – 5, (параллельная работа с электрическим или гидравлическим
тяговым двигателем)
Евро – 5 обеспечивается автоматически работой СПД
на природном газе с воспламенением от сжатия и с регулируемой степенью
сжатия.
Схема гибридной силовой установки с пневматической
передачей
Для обеспечения полной рекуперации энергии торможения
расширительная машина должна быть переразмерена относительно условий
разгона (трогания) или иметь 2 накопителя энергии.
Свободнопоршневой двигатель 1МП120
1-остов, 2-компрессоры, 3-поршни, 4-буферные
крышки,
5-механизм пуска, 6-выхлопные патрубки, 7-клапаны.
Характеристики симметричных СПД
| Тип СПД |
П95
|
1МП120
|
П320
|
| Диаметр цилиндра двигателя, мм |
95
|
120
|
320
|
| Номинальный ход поршня, мм |
142
|
142
|
320
|
| Длина, мм |
1230
|
1254
|
3610
|
| Ширина, мм |
454
|
573
|
1200
|
| Высота, мм |
415
|
524
|
1500
|
| Масса, кг |
270
|
420
|
5000
|
| Мощность оптимального режима, кВт |
147
|
235
|
3100
|
| Частота циклов оптимального режима в
мин |
2590
|
2600
|
1200
|
| Мощность номинального режима, кВт |
265
|
423*
|
5300
|
| Частота циклов номинального режима в
мин |
2795
|
2800
|
1400
|
| Допустимый длительный перегруз по мощности |
20 – 60 %
|
20 – 60 %
|
20 – 60 %
|
| Эффективный КПД, % |
48 - 52
|
48 - 52
|
48 - 52
|
* - Мощность (кВт) форсированного режима 880,
кратковременная 1200
Расширительная машина двойного действия
Удельная масса 0,235 кг/кВт
и более в зависимости от запаса момента.
Для непрерывного момента с нулевых оборотов
требуется не менее 3-х рабочих полостей.
Привод клапанов гидропневматический
с электронным управлением фазами.
Тяговая характеристика КЭУ
для автомобиля ОАО «КАМАЗ»
Тяговая характеристика КЭУ для автомобиля типа «ВАЗ»
Характеристики несимметричных СПД
| Тип СПД |
ПГН50
|
П50НС
|
ПК50С3
|
| Диаметр цилиндра двигателя, мм |
50
|
50
|
50
|
| Номинальный ход поршня, мм |
106
|
106
|
106
|
| Длина, мм |
485
|
260
|
390
|
| Ширина, мм |
346
|
260
|
380
|
| Высота, мм |
587
|
587
|
634
|
| Масса, кг |
46,6
|
63
|
75,6
|
| Давление нагнетания, бар |
250
|
-
|
150
|
| Производительность нм3/час |
-
|
-
|
33
|
| Мощность номинального режима, кВт |
7,9
|
55
|
7
|
| Частота циклов номинального режима в мин |
4890
|
5220
|
4330
|
| Допустимый длительный перегруз по мощности
|
10%
|
20–60%
|
10%
|
| Эффективный КПД, % |
45 - 51
|
47 - 51
|
45 - 51
|
Нагрузочные характеристики КЭУ с СПД размерности 50
мм
Зависимости эффективного КПД
для КЭУ с СПД при одинаковом полезном объёме цилиндра в режиме свободнопоршневого
дизель – гидронасоса (СПДГН) и с газовой передачей.
1 – КЭУ с СПДГН «ПГН50»;
2 – КЭУ с СПД «П50НС» в генераторном режиме.
Характеристики несимметричных СПД
| Тип СПД |
ПГН105
|
ПГН105Н
|
П105НС
|
| Диаметр цилиндра двигателя, мм |
105
|
105
|
105
|
| Номинальный ход поршня, мм |
107
|
107
|
107
|
| Длина, мм |
530
|
530
|
350
|
| Ширина, мм |
420
|
420
|
320
|
| Высота, мм |
645
|
645
|
645
|
| Масса, кг |
110
|
110
|
134
|
| Мощность оптимального режима, кВт |
|
|
130
|
| Частота циклов оптимального режима в мин |
|
|
5100
|
| Мощность номинального режима, кВт |
34
|
56
|
235
|
| Частота циклов номинального режима в мин |
4750
|
5510
|
5500
|
| Допустимый длительный перегруз по мощности |
10%
|
10%
|
20–60%
|
| Эффективный КПД, % |
45-51
|
47-49
|
48-52
|
Нагрузочные характеристики КЭУ с СПД размерности 105
1 – КЭУ с СПДГН «ПГН105» (без
наддува);
2 – КЭУ с СПДГН «ПГН105Н» (с наддувом от ТКР5,5);
3 – КЭУ с СПД «П105НС» в генераторном режиме.
Схема силовой установки с однотопливным газовым дизелем
на СПГ
Свободнопоршневой генератор компримированного
синтез – газа (СПГКСГ)
Несимметричный СПД
Схема СПГКСГ с прямоточной продувкой реактора, полным расширением,
охлаждением и сжатием синтез-газа в компрессоре.
T, p, Q – соответственно температура, давление и теплоотвод; индексы:
к, р, 1 соответствуют компрессору, реактору и параметрам на входе
в двигатель.
Внешний вид СПГКСГ ПСГ28
Производительность в режиме СПДК 10 нм3/час при
давлении нагнетания 150 бар и давлении всасывания 1 бар
Характеристики СПГКСГ
| Марка СПД |
ПСГ28
|
ПСГ50
|
П85
|
1МП120
|
П320
|
| Масса, кг |
24,8
|
42
|
270
|
420
|
5000
|
| Степень сжатия |
63
|
72
|
106
|
104
|
100
|
| Расход метана (без наддува), нм3/час |
1,9
|
6,1
|
14,3
|
29,4
|
312
|
| Выход синтез – газа (без наддува), нм3/час |
9,3
|
29,6
|
69,8
|
143
|
1523
|
| Мощность в режиме КЭУ, кВт |
-
|
-
|
200
|
423
|
5300
|
Установки получения СПГ
Стационарная установка СПГ производительностью 1 т/час. Потребляемая
мощность 650 кВт.
В случае СПДК блок электростанции не требуется.
Применение волнового обменника давления и СПДК позволяет
на 30 % снизить энергозатраты и утилизировать сбросные газы.
Свободнопоршневой дизель – компрессор (СПДК) 1МП120К
СПДК имеют малые габариты и массу, абсолютно уравновешены
(не требуется фундамент), легкий и надежный пуск. Затраты на 1 м3
вырабатываемого сжатого воздуха или газа у СПДК в 1,5 – 2 раза ниже,
чем у приводного компрессора равной производительности.
Приводной двигатель – газовый дизель с воспламенением от сжатия.
Материалоёмкость СПДК в 3,8 – 6,5 раза меньше электроприводных
компрессоров.
Сменные компрессорные ступени без смазки обеспечивают
работу СПДК с произвольными давлениями всасывания и нагнетания.
Характеристики симметричных СПД в режиме СПДК
| Тип СПДК |
П85К
|
П95К
|
1МП120К
|
П320К
|
| Диаметр цилиндра двигателя,
мм |
85
|
95
|
120
|
320
|
| Длина, мм |
1810
|
1810
|
1833
|
5450
|
| Ширина, мм |
|
|
573
|
1200
|
| Высота, мм |
|
|
524
|
1500
|
| Масса, кг |
|
|
490
|
6000
|
| Максимальная производительность,
нм3/час при давлении всасывания , бар: |
Давление нагнетания 250 бар
|
| 1,1 – 3 |
288
|
360
|
480
|
4800
|
| 3 – 6 |
390
|
488
|
650
|
6500
|
| 25 - 45 |
840
|
1050
|
1400
|
14000
|
| Мощность, кВт |
60
|
75
|
100
|
1000
|
БАК ДЛЯ БОРТОВОЙ ТОПЛИВНОЙ СИСТЕМЫ НА СЖИЖЕННОМ ПРИРОДНОМ
ГАЗЕ (СПГ) ДЛЯ АВТОТРАНСПОРТА
Технические характеристики
| Вид топлива |
СПГ |
| Вместимость бака, л. |
185-400 |
| Количество заполняемого
СПГ при коэф. заполнения 90%, кг. |
66 |
| Максимальное давление
топлива в баке (режим хранения), Мпа. |
1,6 |
| Рабочее давление в системе,
Мпа. |
0,2-0,45 |
| Вид теплоизоляции |
Многослойная экранно-вакуумная.
Количество слоев 27 |
| Расчетное время бездренажного
хранения СПГ при начальном давлении в заполненном на 80% баке
0,1 МПа , суток, |
14 |
| Допускаемая величина динамических
нагрузок на бак, g. |
8 |
| Геометрические размеры
бака, мм |
диаметр - 518 длина -
1500 |
| Масса порожнего бака,
кг. |
150 |
Статьи:
