primenenie-obkatochno-tormoznyh-stendov-osnaschennyh-avtomobilnymi-dvigatelyami-vnutrennego-sgoraniya-v-kachestve-avtonomnogo-istochnika-elektricheskoy-energii

Транспорт
Transport
Оригинальная статья / Original article
УДК: 621.43+621.31
DOI: 10.21285/1814-3520-2016-10-171-183
ПРИМЕНЕНИЕ ОБКАТОЧНО-ТОРМОЗНЫХ СТЕНДОВ, ОСНАЩЕННЫХ
АВТОМОБИЛЬНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, В КАЧЕСТВЕ
АВТОНОМНОГО ИСТОЧНИКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
© С.А. Горожанкин1, А.Д. Бумага2, Н.В. Савенков3
Донбасская национальная академия строительства и архитектуры,
286123, Донецкая Народная Республика, г. Макеевка, ул. Державина, 2.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Создание автономного источника электрической энергии на базе обкаточно-тормозных стендов
Всероссийского научно-исследовательского технологического института ремонта и эксплуатации машиннотракторного парка (ГОСНИТИ), предназначенных для испытаний и обкатки автомобильных двигателей внутреннего сгорания (ДВС), является особенно актуальной задачей для регионов, пострадавших вследствие аварий на
электроэнергетических объектах, стихийных бедствий и военных конфликтов. МЕТОДЫ. В настоящей статье
предложен комплекс мероприятий по переоборудованию обкаточно-тормозного стенда в электрогенераторную
установку, выполнен анализ ее энергетической эффективности при применении различных моделей автомобильных ДВС и рекомендованы оптимальные параметры трансмиссии. РЕЗУЛЬТАТЫ. В ходе экспериментальной части исследования был переоборудован стенд модели КИ-5543 с двигателем УМЗ-4216 в электрогенераторную установку. Полученные данные позволили создать и апробировать методику оптимизации, позволяющую
подбирать передаточное число трансмиссии с целью обеспечения минимального удельного расхода топлива при
применении различных моделей автомобильных ДВС. ВЫВОДЫ. Результаты, полученные на основании исследований, показывают, что созданный на базе стенда рассматриваемого типа источник электрической энергии
может обладать необходимыми параметрами вырабатываемого тока и напряжения, а также имеет сопоставимую
с серийными моделями автономных генераторов топливную экономичность.
Ключевые слова: обкаточно-тормозной стенд, асинхронная электрическая машина, синхронный режим, двигатель внутреннего сгорания, эффективный удельный расход топлива, трансмиссия, оптимизация.
Формат цитирования: Горожанкин С.А., Бумага А.Д., Савенков Н.В. Применение обкаточно-тормозных стендов,
оснащенных автомобильными двигателями внутреннего сгорания, в качестве автономного источника электрической энергии // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2016. Т. 20. № 10. С. 171–183.
DOI: 10.21285/1814-3520-2016-10-171-183
APPLICATION OF ROLLER TEST BENCHES EQUIPPED WITH AUTOMOTIVE INTERNAL COMBUSTION ENGINES
AS STAND-ALONE SOURCES OF ELECTRIC ENERGY
S.A. Gorozhankin, A.D. Bumaga, N.V. Savenkov
Donbas National Academy of Civil Engineering and Architecture,
2 Derzhavin St., Makeevka, DNR, 286123.
ABSTRACT. THE PURPOSE of the study is to create a stand-alone source of electric energy based on a roller test
benches of the All-Russia scientific research technological institute of maintenance and operation of machine and tractor
rolling stock (GOSNITI) designed for testing and running of automotive internal combustion engines (ICE). This task is
particularly relevant for the regions affected by the breakdowns at electric power facilities, natural disasters and military
conflicts. METHODS. The paper proposes a set of measures for the conversion of the rolling test bench into an electric
generating unit, analyzes its energy efficiency when using different models of automotive ICE as well as recommends
___________________________
1
Горожанкин Сергей Андреевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой автомобилей
и автомобильного хозяйства, e-mail: gormar@gmail.com
Gorozhankin Sergey, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Automobiles and Automobile
Economy, e-mail: gormar@gmail.com
2
Бумага Александр Дмитриевич, кандидат технических наук, доцент, декан механического факультета,
e-mail: alexbumaga@yandex.ru
Bumaga Alexander, Candidate of technical sciences, Associate Professor, Dean of the Mechanical faculty,
e-mail: alexbumaga@yandex.ru
3
Савенков Никита Владимирович, ассистент кафедры автомобилей и автомобильного хозяйства,
e-mail: SavenkovNV@yandex.ru
Savenkov Nikita, Assistant Professor of the Department of Automobiles and Automobile Economy,
e-mail: SavenkovNV@yandex.ru
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ Т. 20, № 10 2016 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 20, № 10 2016
171
Транспорт
Transport
optimal transmission parameters. RESULTS. In the course of the experiment, a test bench of KI-5543 model with the
motor YMZ-4216 has been converted into an electric generating unit. The results obtained permitted to design and test
an optimization procedure allowing to select a transmission gear ratio in order to ensure minimum specific fuel consumption when using different models of automotive ICE. CONCLUSIONS. The results obtained in the experiments show that
electric power source created on the basis of the test bench of the examined type may have the necessary parameters of
produced current and voltage, as well as obtain fuel efficiency comparable to the production models of stand -alone generators.
Keywords: roller test bench, induction machine, synchronous mode, internal combustion engine (ICE), effective specific
fuel consumption, transmission, optimization
For citation: Gorozhankin S.A., Bumaga A.D., Savenkov N.V. Application of roller test benches equipped with automotive internal combustion engines as stand-alone sources of electric energy. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2016, vol. 20, no. 10, pp. 171–183. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2016-10-171-183
Введение
Обкаточно-тормозные
стенды
производства
Всероссийского
научноисследовательского технологического института ремонта и эксплуатации машиннотракторного парка (ГОСНИТИ), оснащенные в качестве тормозного устройства асинхронной
электрической машиной (ЭМ), применяются при выполнении различных испытаний автомобильных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и являются относительно распространенными на предприятиях по ремонту и обслуживанию автомобилей. Это позволяет рассматривать
данные стенды в качестве основы для создания на их базе автономных источников электрической энергии с целью резервного питания предприятий народного хозяйства.
К стационарным электрогенераторным установкам, имеющим ДВС в качестве первичного двигателя, предъявляется широкий спектр требований, среди которых основными являются: относительная экологическая безопасность, заданные диапазоны отклонения генерируемого напряжения и его частоты, высокий коэффициент мощности, приемлемая топливная
экономичность, а также требуемый диапазон развиваемой электрической мощности.
В настоящем исследовании на основании технических характеристик и полученных
экспериментальных данных выполнен анализ возможности переоборудования обкаточнотормозных стендов рассматриваемого типа в электрогенераторные установки.
Материалы и методы исследования
Асинхронный двигатель с фазовым ротором, которым оснащены стенды ГОСНИТИ,
принципиально просто перевести в режим автономного синхронного генератора. Для этого
достаточно роторную обмотку питать постоянным током и вращать ротор приводным двигателем (в частности ДВС) со скоростью, обеспечивающей требуемую частоту генерируемого
напряжения – 50 Гц [1].
На рис. 1 приведена схема рассматриваемой электрогенераторной установки. Обмотку
возбуждения ЭМ представляют собой две последовательно соединенные обмотки ротора, величина тока в которых регулируется блоком возбуждения, получающим питание от цепи
нагрузки (обмоток статора). Оценка эффективности предлагаемой схемы выполнена на основании результатов экспериментальных исследований на примере обкаточно-тормозного стенда КИ-5543 ГОСНИТИ и ДВС УМЗ-4216 автомобиля «ГАЗель Бизнес». Внешний вид лабораторной установки, созданной в Донбасской национальной академии строительства и архитектуры (ГОУ ВПО ДонНАСА), приведен на рис. 2.
В работе также рассмотрена эффективность применения и других моделей ДВС, которые являются относительно распространенными на предприятиях по ремонту и обслуживанию автомобилей: ЗМЗ-402, ВАЗ-2106, ГАЗ-51, ЗМЗ-53, ЗиЛ-130, КамАЗ-740, ЯМЗ-236, 238.
Процесс переоборудования асинхронного тормозного устройства в режим синхронного
172
ВЕСТНИК ИрГТУ Т. 20, № 10 2016 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 20, № 10 2016
ISSN 1814-3520
Транспорт
Transport
генератора также является актуальной научно-инженерной задачей при стендовом определении показателей автомобильных ДВС на неустановившихся режимах работы, что позволяет
практически вдвое расширить диапазон частоты вращения ЭМ в тормозном режиме, а также
повысить быстродействие и удобство управления крутящим моментом [2].
Трансмиссия электрогенераторной установки может иметь прямую передачу от ДВС к
ЭМ, а может оснащаться дополнительным редуктором (ДР), позволяющим согласовывать на
основании определенных критериев режимы работы двигателя и генератора (рис. 1).
Рис. 1. Принципиальная электрическая схема электрогенераторной установки, созданной
на базе обкаточно-тормозного стенда, и соответствующая схема составляющих мощности
Fig. 1. Schematic electric diagram of an electric generating plant created on the basis
of a roller test bench and a reference diagram of power components
Приборы под позициями 1–3 на рис. 1, а также приведенные в табл. 1 предназначены
для контроля электрических параметров ЭМ в цепи нагрузки (статора) и в цепи возбуждения
(ротора) во избежание превышения предельно допустимых значений (табл. 2) 4, а также для
определения характеристики ЭМ в различных режимах работы.
Характеристика ЭМ в режиме синхронного генератора в настоящем исследовании
представлена функциями:
UФ  f ( n,I В ,R ),B; I H  f ( n,I В ,R ),A; N m  f ( n,I В ,R ),кВт,
(1)
4
Техническое описание и инструкция по эксплуатации 5543 ТО. Стенд обкаточно-тормозной КИ-5543-ГОСНИТИ.
М.: Госкомсельхозтехника УССР, 1979. 24 с. /5543 TM Technical specifications and an operation manual. Rolling test
bench KI-5543-GOSNITI. Moscow, Goskomselkhostekhnika of the Ukrainian SSR, 1979, 24 p. (In Russian)
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ Т. 20, № 10 2016 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 20, № 10 2016
173
Транспорт
Transport
где Nm, n – механическая мощность на приводном валу генератора и его частота вращения
соответственно, R – величина активного сопротивления фазы нагрузки, Ом.
Рис. 2. ДВС УМЗ-4216, установленный на переоборудованном обкаточно-тормозном
стенде КИ-5543 ГОСНИТИ
Fig. 2. ICE UMZ- 4216 mounted on the converted roller test bench KI-5543 GOSNITI
Таблица 1
Приборы, применяемые для измерения электрических параметров
Table 1
Devices for measuring electrical parameters
Номер
позиции /
Pos. No.
1
2
3
Контролируемый параметр /
Controlled variable
Тип измерительного прибора /
Type of a measuring device
Амперметр магнитоэлектрический М4233 НШТок возбуждения (ротора), IВ, А / 75mV КП 2,5; шунт измерительный 75 ШСМ 0,5 /
(Rotor) excitation current, IВ, А
Magnetoelectric ammeter М4233 NSH-75mV КP
2.5; measuring shunt 75 SHSМ 0.5
Фазное напряжение нагрузки
Вольтметр электромагнитный ВЗЭТ Э8030-М1 /
(статора), UФ, В /
Electromagnetic voltmeter VZET E8030-M1
(Stator) load phase voltage, UФ, В
Амперметр электромагнитный ВЗЭТ Э8033 2,5;
Ток нагрузки (статора), IН, А /
трансформатор тока Т 0 66 м 150/5 /
(Stator) load current, IН, А
Electromagnetic ammeter VZET E8033 2.5;
Current transformer T 066 m 150/5
Полученные на основании результатов экспериментальных исследований характеристики ЭМ в режиме синхронного генератора, приведены на рис. 3 в виде семейства диаграмм
в координатах n и IВ для трех значений R: 3,2; 4 и 4,8 Ом. Поверхности аппроксимированы с
помощью функций кубического сплайна в системе компьютерной алгебры Mathcad 14.
Для расчета величины Nm применялась зависимость
 n
N m  0,7162  Pвес  g 
, кВт,
(2)
30
где Pвес – показания балансирного силоизмерительного устройства, кг·м/0,7162 (рис. 2).
174
ВЕСТНИК ИрГТУ Т. 20, № 10 2016 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 20, № 10 2016
ISSN 1814-3520
Транспорт
Transport
Таблица 2
Параметры ЭМ с фазовым ротором АКБ-82-4 УЗ
Table 2
Parameters of an electric machine with a phase rotor AKB-82-4 UZ
Ротор / Rotor
Статор / Stator
Кол-во пар полюсов /
Синхронная частота
вращения ротора /
Предельные допустимые значения электрических параметров /
Number of pairs of poles /
Maximum permissible values of electric variables
Synchronous rotor speed
2 / 1500 мин-1 /
IВ , А
UВ , В
IН, А
UФ , В
2 / 1500 rpm
Δ
Y
Δ
Y
Мощность ЭМ в двига200
160
тельном режиме / EM
188
109
220
380
power in operation
Величины активного сопротивления обмоток, Ом /
55 кВт при 1440 мин-1,
Values of active resistance of windings, Ohm
cosφ = 0,84, КПД 91,5% /
55kW at 1440 rpm,
0,07* (две обмотки) /
cosφ = 0.84, efficiency
0,0615* (одна обмотка) / (one winding)
(two windings)
91.5%
Примечание. * Значения получены экспериментальным путем.
Note. * Value have been obtained experimentally.
Величина n, мин-1, определялась диагностическим сканером «Сканматик-2» через интерфейс OBD-II комплексной микропроцессорной системы управления ДВС МИКАС 10.3.0. В
качестве имитации нагрузки потребителей при стендовых испытаниях применялась батарея
резисторов (БР), набранная из блоков модели Б6МУ2 ИФРЮ 4.34352.001-09, нагрузка симметричная.
Эксперименты выполнены для таких значений активного сопротивления каждой фазы
БР: R = 3,2; 4 и 4,8 Ом. Значения R включают также и сопротивление блока возбуждения.
Наиболее простым способом поддержания частоты тока и напряжения в цепи нагрузки
на уровне 50 Гц является организация работы ЭМ при соответствующей скорости вращения
ее ротора 1500 мин-1 (данный режим является синхронным для ЭМ, имеющей 2 пары полюсов, табл. 2). На рис. 4 приведен частный случай характеристики ЭМ при n = 1500 мин-1.
Кроме поддержания необходимой частоты тока и напряжения, электрогенераторная
установка также должна обеспечивать фазное напряжение 220 В при линейном 380 В.
На рис. 5 показан второй частный случай характеристики ЭМ в режиме синхронного генератора (см. рис. 3), на которую наложены следующие ограничения: n = 1500 мин-1 и
UФ = 220 В. Данная нагрузочная характеристика является рабочей при эксплуатации электрогенераторной установки. По оси абсцисс приведена активная электрическая мощность P, передаваемая потребителю, [3]:
P  3  cos   I Н  UФ  PВ , кВт,
(3)
где Pв – мощность, отбираемая блоком возбуждения, кВт.
Индуктивность элементов БР одной фазы при испытаниях составляла не более
8·10-8 Гн. Таким образом, реактивная составляющая нагрузки являлась незначительной; это в
процессе дальнейших исследований позволило принять допущение в виде cosφ = 1 [3].
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ Т. 20, № 10 2016 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 20, № 10 2016
175
Транспорт
Transport
Diagrams of phase to earth voltage U ф, load current Iн and mechanical power Nm taken
from the drive shaft under 3,2 Ohm active resistance of each load phase
Diagrams of phase to earth voltage U ф, load current Iн and mechanical power Nm taken
from the drive shaft under 4 Ohm active resistance of each load phase
Diagrams of phase to earth voltage Uф, load current Iн and mechanical power Nm taken
from the drive shaft under 4,8 Ohm active resistance of each load phase
Рис. 3. Характеристики электрической машины АКБ-82-4 УЗ, переоборудованной
в синхронный генератор, при различных режимах работы
Fig. 3. Сharacteristics of the converted into synchronous generator electrical machine
AKB-82-4 UZ for different operation modes
176
ВЕСТНИК ИрГТУ Т. 20, № 10 2016 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 20, № 10 2016
ISSN 1814-3520
Транспорт
Transport
Рис. 4. Характеристики ЭМ АКБ-82-4 УЗ, переоборудованной
в синхронный генератор, при частоте вращения ротора 1500 мин-1
Fig. 4. Characteristics of converted into a synchronous generator EM AKB-82-4 UZ
under rotor frequency of 1500 rpm
С учетом баланса мощности электрогенераторной установки выражение 3 имеет вид:
P  S  PВ  N m   N e  ДР т   Q e  ДР т  , кВт,
(4)
где S – полная активная мощность, развиваемая ЭМ в режиме синхронного генератора, кВт;
η – полный КПД ЭМ, определяется выражением η=P/Nm; Ne – эффективная мощность, развиваемая ДВС; ηДР – КПД ДР; ηm – КПД карданного вала; Q – тепловая мощность, поступающая
в ДВС с топливом, определяется зависимостью (5); ηe – эффективный КПД ДВС (6).
Q  HU  G,кВт ,
где HU – низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг; G – массовый расход топлива, г/с.
3600
e 
,
HU  g e
(5)
(6)
где ge – эффективный удельный расход топлива ДВС, г/(кВт·ч).
Топливно-экономические свойства электрогенераторной установки главным образом
обуславливаются величинами полного КПД ЭМ η и эффективного КПД ДВС ηe. КПД карданного вала ηm и КПД ДР ηДР практически не изменяют своего значения в зависимости от параметров передаваемого потока механической мощности и в настоящем исследовании приняты
постоянными: 0,98 и 0,957 соответственно.
При работе ДВС на установившемся режиме развиваемая эффективная мощность и
соответствующий эффективный удельный расход топлива определяются сочетанием параметров регулирования: частотой вращения коленчатого вала n и коэффициентом использования мощности k 5:
5
Райков И.Я. Испытания двигателей внутреннего сгорания: учебник для вузов. Москва: Высш. шк., 1975.
320 с. / Raykov I.Ya. Internal combustion engine tests: Higher school textbook. Moscow: High school, 1975, 320 p.
(In Russian)
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ Т. 20, № 10 2016 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 20, № 10 2016
177
Транспорт
Transport
N e  f ( n,k ),
(7)
ge  f ( n,k ), г (кВт  ч).
(8)
Под величиной k подразумевается отношение текущего значения Ne к такому значению
Ne, которое будет развиваться двигателем при его работе по внешней скоростной характеристике (с полной подачей топлива) при текущей частоте вращения n.
а
б (b)
Рис. 5. Нагрузочные характеристики ЭМ АКБ-82-4 УЗ в режиме синхронного генератора при частоте
вращения ротора n = 1500 мин-1 и фазном напряжении UФ = 220 В: а – механическая мощность Nm
и полный КПД ЭМ η; б – ток возбуждения ротора IВ и ток нагрузки (статора) IН
Fig. 5. EM AKB-82-4 UZ load characteristics in the mode of synchronous generator under rotor frequency
n = 1500 rpm and phase voltage UФ = 220 V: a – mechanical power Nm and EM total efficiency η;
b – rotor excitation current IВ and stator (load) current IН
Диаграммы скоростных характеристик эффективной мощности и эффективного удельного расхода топлива в координатах параметров регулирования для рассматриваемых в исследовании моделей ДВС приведены на рис. 6.
Зависимости для ДВС УМЗ-4216 получены на основании серии испытаний, выполненных в лаборатории кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство» ГОУ ВПО
ДонНАСА [4]. Расход топлива при стендовых исследованиях определен в соответствии с разработанной авторами методикой [5]. Для остальных моделей ДВС, приведенных на рис. 6,
скоростные характеристики аппроксимированы функциями кубического сплайна на основании
опытных данных6.
Утолщенной линией на диаграммах показана экономическая характеристика двигателей, при которой каждому значению развиваемой эффективной мощности Ne соответствует
такое сочетание параметров регулирования n и k, при котором величина ge достигает своего
минимума – соответственно эффективный КПД ДВС при этом максимален [6].
6
Луканин В.Н., Шатров М.Г., Труш А.Ю. Двигатели внутреннего сгорания. Компьютерный практикум: учебник.
М.: Высш. шк.,1995. Кн. 3. 256 с. / Lukanin V.N., Shatrov M.G., Trush A.Yu. Internal combustion engines. Computeraided practical course: Textbook. Moscow, High school, 1995, vol. 3, 256 p. (In Russian)
178
ВЕСТНИК ИрГТУ Т. 20, № 10 2016 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 20, № 10 2016
ISSN 1814-3520
Транспорт
Transport
Рис. 6. Универсальные статические характеристики автомобильных ДВС
Fig. 6. Universal static characteristics of automotive ICE
При такой конфигурации трансмиссии стенда, которая представляет собой прямую передачу механической мощности от ДВС к ЭМ (при отсутствии ДР), удельный расход топлива
электрогенераторной установки определяется следующим выражением:
g ПП 
ISSN 1814-3520
ge  N e
г
,
.
P
кВт  ч
ВЕСТНИК ИрГТУ Т. 20, № 10 2016 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 20, № 10 2016
(9)
179
Транспорт
Transport
Значения gПП в виде функций от передаваемой потребителю электрической мощности
P при применении рассматриваемых моделей ДВС приведены на рис. 7. Двигатели, графики
для которых не имеют функций gПП = f(P), не могут обеспечить требуемую величину фазного
напряжения нагрузки 220 В при частоте вращения коленчатого вала, соответствующей синхронной скорости ротора ЭМ.
Применение в трансмиссии установки ДР позволяет в некоторой степени выполнить
согласование характеристик ЭМ и приводного ДВС за счет рационального выбора передаточного числа. Данная задача является по своей сути оптимизационной. Например, рассмотрим
такую постановку задачи, при которой критерием является минимальный удельный расход
топлива электрогенераторной установки, достигаемый при каждом значении P. В качестве параметра оптимизации определено передаточное число дополнительного редуктора – U. Граничными условиями при этом являются: 1) соблюдение баланса мощности в трансмиссии
(Nm = Ne· ηm· ηДР); 2) значения параметров регулирования ДВС, принадлежащие диапазонам
их возможных значений ([nmin ≤ n ≤ nmax]; [0 < k ≤ 1]).
Листинг для определения искомой функции параметра оптимизации U = f(P), реализованный в системе компьютерной алгебры Mathcad в виде итерационного цикла имеет вид:
a 1
g ei  1000
ni  nmax
U( P ) 
while

 N m ( P ) т  ДР  
 g e ( ni , 
 )  g ei
N e ( ni ,1 )

 

,
(10)
 N ( P ) т  ДР 
g ei  g e ( ni ,  m
)
N e ( ni ,1 )


ni  ni  a
ni / nS
где a – шаг итерационного цикла, мин-1; gei – переменная, хранящая минимальное найденное
значение удельного расхода топлива; ni – частота вращения коленчатого вала ДВС для i-й
итерации цикла, мин-1; nmax – максимальная частота вращения коленчатого вала ДВС;
ns – синхронная частота вращения вала ЭМ (1500 мин-1). В зависимости Ne = f(ni,k) k = 1, так
как приведенная функция определяет работу ДВС при полной нагрузке.
Таким образом, алгоритм (10) позволяет выполнять поиск таких значений U для конкретного ДВС, которые обеспечивают организацию его работы по экономической характеристике, позволяющей для каждого значения P подобрать такое сочетание параметров n и k,
обеспечивающее минимальную величину ge. Полученные значения удельного расхода топлива электрогенераторной установки при применении ДР будут определяться зависимостью
g ДР


 N    
 N    
ge   nS  U  ,  m т ДР    N e   nS  U  ,  m т ДР  




г
 N e (  nS  U  ,1 )  
 N e (  nS  U  ,1 )  

 
,
.
P
кВт  ч
(11)
Результаты выполненной оптимизации для рассматриваемых в исследовании моделей
ДВС при их работе через ДР с ЭМ АКБ-82-4 УЗ, работающей в режиме синхронного генератора, показаны на рис. 7.
180
ВЕСТНИК ИрГТУ Т. 20, № 10 2016 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 20, № 10 2016
ISSN 1814-3520
Транспорт
Transport
Рис. 7. Удельный расход топлива электрогенераторной установки в зависимости от развиваемой
электрической мощности для различных моделей ДВС
Fig. 7. Specific fuel consumption of the electric generating plant depending on the developed electric power
for different models of automotive ICE
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ Т. 20, № 10 2016 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 20, № 10 2016
181
Транспорт
Transport
Результаты исследования и их обсуждение
Определенные в соответствии с зависимостями (10), (11) значения gДП являются значительно меньшими, чем величины gПП, что доказывает целесообразность применения в конструкции электрогенераторной установки ДР. Полученные соответствующие удельные расходы топлива, например при оснащении установки двигателем КАМАЗ-740, сопоставимы с показателями топливной экономичности серийных моделей автономных генераторов (табл. 3).
Таблица 3
Удельный расход топлива различных моделей трехфазных
электрогенераторных установок
Table 3
Specific fuel consumption of different models of 3-phase electric generating plants
АКБ-82-4 УЗ,
АД-30 АД-40
Модель
ДВС КАМАЗ-740.1 / Perkins ММЗ C38D5 C55D5
установки /
AKB-82-4 UZ,
AD-30 AD-40 Cummins Cummins
Plant model
ICE KAMAZ-740.1 Perkins MMZ
Удельный расход топлива, г/(кВт·ч)
280/248*
248
238
270
256
при мощности, кВт / Specific fuel
consumption, g/(kWh) at power of,
34–42
23–30
40
28
40
kW
Примечание. * При применении в трансмиссии ДР с передаточным числом 0,55.
Note. * If an additional reducer which the gear ratio of 0.55 is used in transmission.
Следует также отметить, что установка должна иметь автоматические устройства регулирования, которые при изменении нагрузки потребителей (величины P) позволят поддерживать заданную частоту вращения коленчатого вала ДВС (соответствующую частоте генерируемого напряжения 50 Гц) и выполнять корректирование величины тока возбуждения (для
обеспечения значения фазного напряжения на уровне 220 В).
Установлено, что рассматриваемая модель ЭМ может длительное время безотказно
работать в режиме синхронного генератора при IВ до 250 А. При возбуждении ЭМ только со
стороны ротора, как это выполнено в данном исследовании, развиваемая электрическая
мощность получается сравнительно небольшой относительно исходного асинхронного двигателя (см. табл. 2). Для ее повышения, а также с целью снижения величины тока возбуждения
может быть применено дополнительное конденсаторное возбуждение статора [1].
Полученные характеристики экономичности электрогенераторной установки (рис. 7)
являются преимущественно условными, так как справедливы для потребителей, характеризующихся активным типом нагрузки.
Заключение
В работе рассмотрена актуальная задача по созданию на базе обкаточно-тормозных
стендов ГОСНИТИ относительно мощных автономных источников электрической энергии для
резервного питания отдельных предприятий либо регионов, пострадавших вследствие природных, техногенных либо социальных катаклизмов. На основании результатов экспериментальных исследований, выполненных на примере стенда КИ-5543 и нескольких моделей автомобильных ДВС, определено, что энергетические установки предлагаемой конструкции обладают относительно хорошей топливной экономичностью и при внедрении необходимых
средств контроля и автоматики могут производить электроэнергию необходимого качества. В
соответствии с предложенными в статье рекомендациями в электрогенераторные установки
могут быть переоборудованы стенды моделей КИ-5540, КИ-5541, КИ-5542, КИ-5274, а также
аналогичных конструкций.
182
ВЕСТНИК ИрГТУ Т. 20, № 10 2016 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 20, № 10 2016
ISSN 1814-3520
Транспорт
Transport
Библиографический список
1. Чернопятов Н.Н., Петров Г.А., Емец В.Ф., Частовский А.В. Использование асинхронных двигателей в качестве
синхронных генераторов // Изв. вузов. Сер. Энергетика. 1983. № 9. С. 25–29.
2. Савенков Н.В., Горожанкин С.А., Овчарук Б.В. Особенности исследования эффективных характеристик автомобильных ДВС на переходных режимах работы // Вісник СевНТУ: збірник наукових праць. Сер. Машиностроение
и транспорт. 2013. Вып. 142. С. 177–181.
3. Справочник по электрическим машинам: в 2 т. / под общ. ред. И.П. Копылова и Б.К. Клокова. М.: Энергоато миздат, 1988. Т. 1. 456 с.
4. Горожанкин С.А., Савенков Н.В., Степаненко Т.И. Установка для стендовых испытаний автомобильных ДВС на
неустановившихся режимах работы // Вестник СевНТУ: сборник научных работ. Сер. Машиностроение и
транспорт. 2014. Вып. 152. С. 119–122.
5. Горожанкин С.А., Савенков Н.В. Определение расхода топлива бензинового ДВС с рампой тупикового типа
при работе на переходных режимах // Вестник Восточноукраинского национального университета имени Владимира Даля. 2013. № 15 (204). Ч. 2. С. 268–274.
6. Володин А.И. Локомотивные двигатели внутреннего сгорания. 2е изд., перераб. и доп. М.: Транспорт, 1990.
265 с.
References
1. Chernopyatov N.N., Petrov G.A., Emets V.F., Chastovskiy A.V. Ispolzovanie asinhronnyih dvigateley v kachestve
sinhronnyih generatorov [Use of induction motors as synchronous generators]. Izv. vuzov. Ser. Energetika [Proceedings
of the higher educational institutions. Series: Power Engineering]. 1983, vol. 17, pp. 25–29. (In Russian)
2. Savenkov N.V., Gorozhankin S.A., Ovcharuk B.V. Osobennosti issledovaniya effektivnyih harakteristik avtomobilnyih
DVS na perehodnyih rezhimah rabotyi [Features of studying effective characteristics of automotive internal combustion
engines in transient modes]. Victnyk SevNTU: zbirnik naukovih prats. Ser. Mashinostroenie i transport [SevNTU Bulletin.
Series: Mechanical Engineering and Transport]. 2013, vol. 142, pp. 177–181. (In Russian)
3. Spravochnik po elektricheskim mashinam [Manual of Electrical machines]. Edited by I.P. Kopylova and B.K. Klokov.
Moscow, Energoatomisdat Publ., 1988, vol. 1, 456 p. (In Russian)
4. Gorozhankin S.A., Savenkov N.V., Stepanenko T.I. Ustanovka dlya stendovyih ispyitaniy avtomobilnyih DVS na neustanovivshihsya rezhimah rabotyi [Stand for automotive internal combustion engines bench testing in the transients
modes]. Victnyk SevNTU: zbirnik naukovih prats. Ser. Mashinostroenie i transport [SevNTU Bulletin. Series: Mechanical
Engineering and Transport]. 2014, vol. 152, pp. 119–122. (In Russian)
5. Gorozhankin S.A., Savenkov N.V. Opredelenie rashoda topliva benzinovogo DVS s rampoy tupikovogo tipa pri rabote
na perehodnyih rezhimah [Determination of fuel consumption of an internal combustion engine with a deadlock-type rail
under the operation in transient modes]. Vestnik Vostochnoukrainskogo natsionalnogo universiteta imeni Vladimira Dalya
[Bulletin of Vladimir Dal East Ukrainian National University]. 2013, no. 15 (204), part 2, pp. 268–274. (In Russian)
6. Volodin A.I. Lokomotivnyie dvigateli vnutrennego sgoraniya [Locomotive internal combustion engines]. Moscow,
Transport Publ., 1990, 265 p. (In Russian)
Критерии авторства
Горожанкин С.А., Бумага А.Д., Савенков Н.В. предложили комплекс мероприятий по переоборудованию обкаточно-тормозного стенда в электрогенераторную установку, выполнили анализ ее энергетической эффективности
при применении различных моделей автомобильных двигателей внутреннего сгорания, провели обобщение и
написали рукопись. Савенков Н.В. несет ответственность за плагиат.
Authorship criteria
Gorozhankin S.A., Bumaga A.D., Savenkov N.V. have proposed a set of measures for the conversion of a roller test
bench into an electric generating unit, analyzed its energy efficiency when using different models of automotive internal
combustion engines, summarized the material and wrote the manuscript. Savenkov N.V. is responsible for plagiarism.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interest regarding the publication of this article.
Статья поступила 29.08.2016 г.
The article was received 29 August 2016
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ Т. 20, № 10 2016 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 20, № 10 2016
183