3293

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный технический университет»

ПРИКЛАДНЫЕ ЗАДАЧИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКИ, ЭНЕРГЕТИКИ, ЭЛЕКТРОНИКИ

Труды Всероссийской студенческой научно-технической конференции

(г. Воронеж, 20-21 мая 2019 г.)

Воронеж 2019

ВВЕДЕНИЕ

Слово к читателю

У каждого молодого человека, стоящего на пороге взрослой жизни, есть своя мечта. Один мечтает о славе, другой – о достатке, третий – о впечатляющих приключениях…

Однако опыт, накопленный многими поколениями, свидетельствует, что наиболее содержательная жизнь всегда связана с творчеством, с созидательной деятельностью, поиском решений задач, которых еще никто не решил. Это – тропа первопроходцев. Умение сформулировать задачу и найти оптимальное ее решение – это надежный старт для содержательной интересной жизни.

Авторы сборника делают попытку стать на эту стезю. Хочется пожелать им твердости поступи и уверенности в успехе. Пусть выступление в этом сборнике и станет началом содержательной жизни, насыщенной захватывающими приключениями, созидательным трудом, научным поиском. Нужно только помнить, что успехи всегда окрыляют, придают уверенность, раздвигают горизонты поиска. Но не следует пренебрегать неудачами и огорчаться из-за них. Они должны закалять характер, воспитывать настойчивость и все то, что неизбежно приводит к новым успехам. Знание и опыт – главное богатство каждого человека. Это богатство следует приумножать постоянно.

Все мы ценим наследие предыдущих поколений первооткрывателей. Только благодаря их достижениям мы сегодня совершаем новые открытия, создаем изобретения. Наша задача – своими результатами еще выше поднять вершины знаний и умений. И здесь – наша ответственность перед потомками.

Хочется от всей души пожелать всем молодым авторам сборника уверенности в поиске и успехов в созидании.

3

Электромеханика

4

УДК 621.313

В. А. Малиновкин, Е. А. Терехина, Ю. В. Писаревский

РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ТУРБОНАДДУВА АВТОМОБИЛЬНЫХ СИСТЕМ

В докладе рассматривается принцип работы турбонаддува, варианты его реализации и анализ в свете решения проблемы турбоямы с помощью электротурбонагнетателя. Предлагается оптимальное исполнение турбонагнетателя с индивидуальным электроприводом на основе БДПТ.

Ключевые слова: турбонаддув, электропривод, компрессор, бесконтактный двигатель постоянного тока.

В современном мире электропривод получил широкое применение. Это незаменимая часть в любой сложной управляемой системе. Часто наличие электропривода в такой системе автоматически решает множество проблем.

Рассмотрим движение автомобиля с двигателем внутреннего сгорания. Непосредственное передвижение обеспечивают пары газов, сгорающих в цилиндрах ДВС. Один из способов увеличения мощности двигателя – использование системы турбонаддува.

Турбонаддув – один из видов наддува, в котором поступление воздуха в цилиндры происходит за счёт давления с использованием энергии отработанных газов. В настоящее время применение такой системы является наиболее эффективным способом увеличения мощности без увеличения частоты вращения коленчатого вала и объёма цилиндров. Помимо этого, система турбонаддува обеспечивает экономичный расход топлива. Также за счёт более полного сгорания газов токсичность сгоревших газов уменьшается.

Кроме положительных сторон системы турбонаддува, существуют также и отрицательные. Одним из них является возникновение эффекта «турбоямы». Этот эффект заключается в том, что, когда автомобиль движется с малой скоростью на малых оборотах и возникает необходимость резко увеличить скорость для обгона, автомобиль не сразу реагирует на нажатую педаль, а лишь через какой-то промежуток времени.

Существует несколько решений этой проблемы. Например, использование двух последовательных или параллельных

5

турбокомпрессоров; комбинированный наддув; применение турбины с изменяемой геометрией. Рассмотрим альтернативные варианты решения данной проблемы.

Один из возможных вариантов – применение электротурбонагнетателя. Принцип работы электрической турбины отличается от классического турбонагнетателя лишь за счёт конструкции оси, которая соединяет крыльчатки у классики.

Электрическая турбина может работать от бортовой электросети, а её использование избавит двигатель от эффекта турбоямы, а также задействует нагнетатель даже в режиме низких оборотов.

В качестве источника питания для электропривода можно использовать бесколлекторный двигатель постоянного тока. Отсутствие щёток, в сравнении со стандартным двигателем постоянного тока, позволит развить большую частоту вращения крыльчатки и исключить риск возникновения короткого замыкания. Применение такого устройства позволяет получить от обычного двигателя примерно двукратное увеличение мощности.

Машина постоянного тока может работать не только

врежиме двигателя, но и в режиме генератора. При движении транспорта под уклон частота вращения становится больше, чем номинальная. В таком случае для ограничения скорости машины двигатель начинает работать в режиме рекуперативного торможения. В таком режиме механическая энергия при скорости больше номинальной преобразуется в электрическую и отдаётся

всеть аккумулятора.

Также возможно использование синхронного двигателя

спостоянными магнитами. Использование такого рода двигателя гарантирует класс эффективности от IE3 до IE4.

Существуют и минусы применения такого двигателя. В связи

стем, что во время пуска двигатели с постоянными магнитами остаются возбужденными, их пуск протекает менее благоприятно, чем в синхронных двигателях, возбуждение которых отключается. Это можно объяснить тем, что при пуске вместе с положительным асинхронным моментом от взаимодействия вращающегося поля

стоками, индуктированными в короткозамкнутой обмотке, на ротор действует отрицательный асинхронный момент от

6

индуктированными полем постоянных магнитов в обмотке статора, это может привести к рассинхронизации.

Следовательно, использование бесконтактного двигателя постоянного тока будет экономичнее, чем синхронного двигателя с постоянными магнитами. Также бесколлекторный двигатель является более надёжным в эксплуатации.

Проанализируем существующие варианты исполнения турбонагнетателя с электроприводом.

1.Размещение электропривода между турбинным колесом

иколесом компрессора.

При таком расположении (рис. 1) электропривод находится на валу, на котором также находится турбинное колесо и колесо компрессора. На пониженных оборотах электродвигатель начнёт раскручивать вал, а следовательно, и колесо компрессора, что обеспечит быструю подачу воздуха в компрессор. Но также будет раскручиваться и турбинное колесо. При этом давление в турбинном корпусе увеличится, и будет происходить «высасывание» из двигателя внутреннего сгорания отработанных газов.

При таком исполнении система будет перегружать двигатель внутреннего сгорания, что уменьшает её надёжность.

Рис. 1. Схема турбонагнетателя с электроприводом № 1

2. Размещение электропривода на дополнительной турбине. Система на рис. 2 используется в турбонагнетателях Audi.

Введение дополнительной турбины заметно усложняет конструкцию, но мощность при этом не теряет.

7

На низких и средних оборотах фирменная система valvelift открывает один из двух выпускных клапанов в каждом цилиндре. Поток выпускных газов приводит в движение лишь одну – так называемую активную турбину. В диапазоне от 2200 до 2700 об/мин начинает работать второй выпускной клапан и в дело вступает вторая – пассивная турбина. На низких оборотах за повышенное давление на впуске отвечает электрический компрессор, установленный сразу после интеркулера: так как нагнетаемый им воздух нагревается гораздо меньше.

Рис. 2. Система турбонагнетателя Audi SQ7 TDI

Как рассказывает Джейсон Фенске с канала Engineering Explained, схема привода турбины такова: 3-киловаттный генератор питает 48-вольтовую аккумуляторную батарею, которая запитывает 7-киловаттный электромотор, который, в свою очередь, приводит в движение шпиндель компрессора с расположенными на нем лопатками турбины, которые нагнетают дополнительный воздух в цилиндры двигателя. Электронагнетатель включается в работу за доли секунды, менее чем за ¼ секунды с самых низких оборотов, при резком нажатии на педаль акселератора. Скорость вращения шпинделя составляет 70 тыс. об/мин. И все это происходит за мгновения до начала раскручивания первой основной турбины, которая перехватит инициативу буквально через пару десятых секунды.

8

Такая сложная система содержит больше механических элементов, чем в первом рассмотренном варианте. Из-за этого уменьшается надёжность всей этой конструкции. Система управления так же усложняется, следовательно усложняется и управление.

Кроме конструктивных недостатков система обладает ещё одним минусом – дорогостоимость. Чтобы использовать такую систему в автомобиле, нужен дополнительный генератор, а также и другие дорогостоящие элементы.

Сравнивая эти два варианта исполнения, можно заметить, что второй вариант обладает большей надёжностью, чем первый, но имеет большую дорогостоимость. Также необходимо заметить, что воплотить такой вариант можно только на дорогостоящих автомобилях, которые обладают достаточным местом под габариты системы и имеют мощный аккумулятор.

На основании анализа существующих вариантов исполнений турбонагнетателя с приводом можно выделить несколько вариаций, модифицирующих структуру и теоретически улучшающих работу электропривода в системе турбонагнетателя.

Ссылаясь на первый вариант исполнения существующих систем (размещение электропривода между турбинным колесом и колесом компрессора), возможно увеличить надёжность следующим решением. Учитывая, что мощность, отбираемой крыльчаткой, превышает мощность потока выхлопных газов, можно использовать дополнительные системы, указанные на рис. 3.

Рис. 3. Система турбокомпрессора с дополнительными системами

9

Из рис. 3 видно, что возможно нарушение целостности вала. В этом случае целесообразно использовать магнитные муфты. Таким образом получим, что при раскручивании вала турбинное колесо отсоединено от него. Оно раскручивается отдельно от потока отработанных газов. В момент времени, когда скорость вращения колеса и вала становится одинаковой, происходит сцепление колеса и вала, и дальше система работает, как одно целое, на отработанных газах. При этом электродвигатель либо вращает вал на низких оборотах, либо отдаёт энергию от вращения в аккумулятор в режиме генератора.

Чтобы уменьшить давление в турбинном корпусе, можно также использовать дополнительный воздуховод, расположение которого показано на рис. 3. То есть при повышении давления турбинное колесо будет «всасывать» не только отработанные газы, но и воздух из окружающей среды, что нормализует давление и снизит нагрузку на двигатель.

Также на колесе компрессора могут быть установлены магниты, а само колесо будет выступать в роли ротора электродвигателя. Такое расположение требует больше места в системе под корпус статора, что увеличивает сложность конструкции.

Недостатки таких вариантов в том, что нарушается базовая структура турбонагнетателя, что приводит к сложности исполнения и дорогостоимости.

Таким образом, внедрение дополнительных элементов уменьшит габариты системы турбонагнетателя с электроприводом, уменьшит его стоимость, станет более доступным для

Воронежский государственный технический университет

10