Перспективы применения свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания в системе электроснабжения автономного объекта

Петухов // Технологический аудит и резервы производства. - 2016. - № 1/1 (27). -С. 50-53.

7. Вамболь В.В. Выбор структуры и параметров газокапельного потока в блоке охлаждения газа, полученного при термической обработке отходов [Текст] / В.В. Вамболь, В.Е. Костюк, Е.И. Кирилаш // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: Сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «Харьк. авиац. ин-т». - Вып. 67. - Х., 2015. - С. 186-196.

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ СВОБОДНОПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ АВТОНОМНОГО ОБЪЕКТА

А.Б. Менжинский, адъюнкт, А.Н. Малашин, доцент, к.т.н., Военная академия Республики Беларусь, г. Минск

В настоящее время в системе электроснабжения (СЭС) автономного объекта (АО) применяются энергоустановки на базе двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с кривошипно-шатунным механизмом (КШМ) и синхронных генераторов (СГ) на основе электрической машины вращения (ЭМВ) [1, 2].

Современные ДВС с КШМ представляют собой сложные системы механизмов, обеспечивающих преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала, а также процессы смесеобразования, воспламенения топливовоздушной смеси, охлаждение цилиндров и т.д.

КШМ преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращение коленчатого вала, является одним из наиболее сложных и дорогих элементов в ДВС (затраты на изготовление КШМ составляют 25-40 % от себестоимости двигателя).

Обеспечение функционирования КШМ связано с необходимостью использования значительного числа пар трения, что приводит к возрастанию механических потерь в двигателе, ухудшению экономических и массогабаритных показателей ДВС. Кроме того КШМ вызывает дополнительную нагрузку поршня на цилиндр, что существенно влияет на ресурс двигателя уменьшая его надежность. Невозможность автоматического изменения степени сжатия без усложнения кинематической схемы, приводит к недоиспользованию энергии топливовоздушной смеси традиционного ДВС.

Поэтому в настоящее время интерес представляется к исследованию линейного электрического генератора (ЛЭГ) в качестве электромеханического преобразователя энергии АИЭ. Который позволяет использовать в качестве источника механической энергии в АИЭ свободнопоршневой двигатель (СПД), в конструкции которого отсутствует КШМ, поэтому эффективный КПД СПД может достигать 50-65 %, средняя удельная масса не превышает 1,1 кг/кВт, а средний

ресурс работы до капитального ремонта составляет около 30 тысяч часов.

Что касается зарубежных стран то в настоящее время в США, Чехии, Австралии, Швеции, Нидерландах, Франции и Великобритании ведутся работы, по разработке и исследованию АИЭ на базе ЛГ различных номиналов мощностей. Данное направление является совершенно новым и перспективным в развитии энергетики. К сожалению, данная тематика учеными Республики Беларусь не затронута вовсе.

В связи с отсутствием в конструкции СПД КШМ, определяются следующие принципиальные достоинства СПД, по сравнению с традиционными ДВС [3]:

- единственность кинематической пары (поршень-цилиндр) без нагрузок поршня на цилиндр;

- возможность изменения амплитуды относительных перемещений поршня, а, следовательно, и степени сжатия, что приводит к возможности работы двигателя с различными видами топлива;

- уменьшение числа движущихся деталей за счет исключения из конструкции коленчатого вала и шатунов, которые входят в конструкцию традиционного двигателя внутреннего сгорания;

- повышение жёсткости и механической надежности конструкции в целом;

- способность работать на сверхбедной топливной смеси (до 65 частей воздуха к одной части топлива) вместо так называемой стехиометрической -14,7:1;

- высокие пусковые качества при низких температурах;

- выбросы вредных оксидов азота (КОх) близки к нулю;

- низкие затраты при эксплуатации и ремонте;

- снижение расходов на производство.

Рассмотрим более подробно одномодульную структуру СПД с линейным электрическим генератором (ЛЭГ) на примере схематического разреза двухтактного СПДВС с оппозитным расположением цилиндров и ЛЭГ между ними (рис.).

Рис. Схематический разрез двухцилиндрового СПДВС с оппозитным расположением

цилиндров и ЛЭГ между ними

Двухцилиндровый СПДВС, с оппозитным расположением цилиндров и ЛЭГ между ними, имеет поршневую группу, состоящую из двух поршней, соединенных жестким штоком. Циклически повторяющееся давление газов в процессе сгорания топлива сообщает поршневой группе возвратно-поступательное движение. Между поршнями на штоке закреплена подвижная магнитная система ЛЭГ. Подвижная магнитная система ЛЭГ размещается внутри конструкции статора с системой обмоток. При возвратно-поступательном движении штока с закрепленной на нем магнитной системой внутри статора и взаимодействии их магнитных полей происходит возникновение электродвижущей силы в обмотках статора. В сущности это и есть принцип действия СПДВС с ЛЭГ. Кроме того, электрическая машина, работая в режиме двигателя, обеспечивает старт СПДВС. Электронная система управления должна осуществлять контроль движения поршней для обеспечения оптимального термодинамического цикла, а также позиционирование поршней, предотвращая их соударение с головками цилиндров [4, 5]. Поэтому СПДВС с ЛЭГ имеет микропроцессорную систему управления с четырьмя основными режимами работы: режим генератора; режим электродвигателя; режим контроля и режим регулирования. Режимы контроля и регулирования осуществляются автоматически как при запуске, так и при работе электрогенератора.

Однако следует отметить, что СПД с ЛЭГ имеет ряд недостатков:

- высокая величина циклически повторяющихся сил, действующих на шток и подвижный элемент;

- сложность системы контроля и управления работой СПДВС с ЛЭГ, так как верхняя мертвая точка траектории движения поршня зависит от степени сжатия и скорости сгорания топливовоздушной смеси;

- влияние тепловых потоков от цилиндров СПДВС на конструкцию генератора;

- вследствие отсутствия маховика в конструкции СПД внутреннего сгорания зависимость скорости и ускорения подвижной части двигателя от времени, является пульсирующей.

Таким образом, для достижения таких показателей энергоустановки АО как: минимальных массогабаритных показателей, высокой надежности, низкой стоимости эксплуатации и экономичности и низкой токсичности. Предлагается вариант энергоустановки АО на базе СПДВС с ЛЭГ.

Энергоустановка АО на базе СПДВС с ЛЭГ может иметь модульную структуру, то беж состоять из нескольких модулей, работающих на общую нагрузку.

Энергоустановка АО на базе СПДВС с ЛЭГ позволит достичь:

- модульного исполнения энергоустановки АО из нескольких СПДВС с ЛЭГ, которое позволит изменить мощность силовой установки путем изменения количества модулей энергоустановки в зависимости от нагрузки;

- высокой ремонтопригодности энергоустановки АО в сочетании с потенциально значительно увеличенным ресурсом вследствие возможности замены неисправных модулей, в том числе и в полевых условиях;

- повышения надежности энергоустановки АО системы за счет модульной конструкции, так как выход из строя одного модуля не приводит к остановке всей системы;

- сниженного до 40-45 % массогабаритного показателя по сравнению с энергоустановки АО на базе ДВС и СГ на основе электрической машины вращения;

- динамического изменения режимов сгорания топлива и регулирования мощности энергоустановки АО путем изменения параметров электронной системы управления;

- возможности автоматической оптимальной адаптации энергоустановки АО к типу топлива по мощностному критерию или критерию экономичности.

Проведенный анализ показывает, что на сегодняшний день существуют технические возможности разработки перспективной СЭС АО на базе СПДВС с ЛЭГ. Использование предложенной энергоустановки АО позволит повысить надежность и экономичность СЭС АО. Процесс создания энергоустановки АО на базе СПДВС с ЛЭГ требует решения следующих научно-технических задач - это:

- разработка математической и имитационной модели энергоустановки АО на базе СПДВС с ЛЭГ для получения информации о параметрах и отработки алгоритмов управления энергоустановки АО на базе СПДВС с ЛЭГ;

- разработка облика энергоустановки АО на базе СПДВС с ЛЭГ.

Список использованной литературы

1. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины/ Учеб. для вузов. М.: Энергия, 1980. - 928 с.

2. Балагуров В.А., Галтеев Ф.Ф. Электрические генераторы с постоянными магнитами. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 279 с.

3. Хитерер М.Я., Овчинников И.Е. «Синхронные электрические машины возвратно-поступательного движения», Санкт-Петербург, Корона принт, 2008.

4. Boldea I. Synchronous generators. The Electric Generators Handbook. Taylor & Francis Group, 2006.

5. Boldea I. Variable speed generators. The Electric Generators Handbook. Taylor & Francis Group, 2006.

НЕЧЕТКО-МНОЖЕСТВЕННЫЙ ПОДХОД В УПРАВЛЕНИИ РИСКАМИ И БЕЗОПАСНОСТЬЮ НА ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ

Ю.А. Булавка, доцент, к.т.н., Полоцкий государственный университет, г. Новополоцк, Республика Беларусь

Неотъемлемой частью промышленной безопасности и охраны труда является анализ и прогнозирование опасностей и рисков для человека в