Badania doświadczalne właściwości akumulatora hydropneumatycznego

Transkrypt

1 KNAP Lech 1 MAKOWSKI Michał 2 GRZESIKIEWICZ Wiesław 3 Badania doświadczalne właściwości akumulatora hydropneumatycznego WSTĘP Jednym z głównych trendów wpływających na budową nowej generacji samochodów i ich układów napędowym jest ograniczenie zużycia paliwa oraz tak zwana ekologiczność pojazdów. Realizacja celu obniżenia zużycia paliw ropopochodnych oraz obniżenia szkodliwości motoryzacji polega głównie na stosowaniu paliw alternatywnych, stosowaniu napędów elektrycznych oraz hybrydowych spalinowo-elektrycznych, spalinowo-pneumatycznych oraz spalinowo-hydraulicznych. Napęd elektryczny, mimo iż radykalnie (miejscowo) rozwiązuje problem emisji spalin ciągle boryka się z problemami związanymi z koniecznością opracowaniu tanich, lecz o dużej gęstości energii i szybkoładowalnych akumulatorów pozwalających na uzyskanie odpowiedniego zasięgu pojazdu. Dlatego też obecne tendencje rozwojowe w motoryzacji świadczą, że główny nacisk kładziony jest na rozwój hybrydowych układów napędowych. Nie są eliminowane w ten sposób całkowicie paliwa ropopochodne jednak ich zużycie staje się jednostkowo coraz mniejsze. W napędach hybrydowych wykorzystywane są różne źródła energii niezbędnej do poruszania pojazdu. Zależnie od rodzaju wykorzystywanego źródła są tzw. napędy hybrydowe: elektryczne (silnik spalinowy i układ elektryczny), hydrauliczne (silnik spalinowy oraz układ hydrauliczny), pneumatyczne (silnik spalinowy oraz układ pneumatyczny). Jednym z stosunkowo nowych rozwiązań napędów hybrydowych jest tzw. napęd hybrydowy hydrauliczno-elektryczny nazywanych także napędami elektryczno-hydrostatycznymi. Opis takich układów napędowych wraz z opisem matematycznym procesów energetycznych zachodzących w takim układzie został szerzej przedstawiony w pracy [1]. W przypadku połączenia napędu elektrycznego oraz hydrostatycznego akumulatorowego (napęd hydrauliczny) możliwe jest wykorzystanie zalet jak i niwelowanie wad każdego z tych napędów z osobna. Możliwe jest stworzenie optymalnych warunków pracy napędu elektrycznego dzięki wykorzystaniu napędu hydraulicznego w sytuacjach silnie zmiennych obciążeń układu napędowego np. przy ruszaniu. Moc właściwa akumulatorów elektrycznych (czy też superkondensatorów) jest niższa od mocy właściwiej oferowanej przez akumulatory hydropneumatyczne. Przeciwnie energia właściwa akumulatorów elektrycznych jest większa od energii właściwej, jaką charakteryzują się akumulatory hydropneumatyczne [2]. Jednym z głównych atutów wykorzystania napędu hydraulicznego jest możliwość szybkiego gromadzenia energii w postaci energii potencjalnej gazu zmagazynowanej w akumulatorze hydropneumatycznym (duża wartość mocy właściwej). Efekt ten może być wykorzystany do odzyskiwania energii pojazdu podczas hamowania. Następnie zakumulowana energia może być wykorzystywana do napędu pojazdu podczas przyspieszania lub hamowania pojazdu. 1. HYDROSTATYCZNY NAPĘD AKUMULATOROWY Układ hybrydowy elektryczno-hydrostatyczny złożony jest z układu elektrycznego oraz układu hydrostatycznego połączonych równolegle lub szeregowo. Układ elektryczny tworzy silnik elektryczny zasilany z akumulatora elektrycznego. Układ hydrostatyczny składa się natomiast z pompo-silnika hydrostatycznego o zmiennym wydatku lub chłonności jednostkowej połączonego z akumulatorem hydropneumatycznym oraz zbiornikiem hydraulicznym (lub akumulatorem 1 Politechnika Warszawska, Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych, Instytut Pojazdów; Warszawa; ul. Narbutta 84. Tel , Tel , l.knap@simr.pw.edu.pl 2 Politechnika Warszawska, Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych, Instytut Pojazdów; Warszawa; ul. Narbutta 84. Tel , Tel , m.makowski@simr.pw.edu.pl 3 Politechnika Warszawska, Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych, Instytut Pojazdów; Warszawa; ul. Narbutta 84. Tel , Tel , wgr@simr.pw.edu.pl 2992

2 niskociśnieniowym). Uproszczony schemat układu hydrostatycznego pokazano na rysunku 1. W układzie tym znajdują się: 1 hydropneumatyczny akumulator wysokociśnieniowy, 2 hydropneumatyczny akumulator niskociśnieniowy (lub zbiornik hydrauliczny), 3 maszyna hydrostatyczna (pompo-silnik) o sterowanym zmiennym wydatku jednostkowym lub chłonności jednostkowej, 4- bezwładnik odwzorowujący zredukowaną inercję pojazdu. Rys. 1. Schemat poglądowy hydrostatycznego układu napędowego: 1 hydropneumatyczny akumulator wysokociśnieniowy, 2 zbiornik hydrauliczny lub hydropneumatyczny akumulator niskociśnieniowy, 3 maszyna hydrostatyczna tzw. pompo-silnik, 4 bezwładnik [1] W ramach prac badawczych poświęconych badaniom procesów energetycznych zachodzących w napędzie hydrostatycznym zostały zbudowane w Instytucie Pojazdów PW stanowiska badawcze będące modelem podzespołów i układu przedstawionego na rysunku 1. Sterowanie wydatkiem i chłonnością jednostkową pompo-silnika wpływa na efektywność pracy układu hydrostatycznego, dlatego do opracowania skutecznych algorytmów sterowania niezbędne jest zbudowanie modelu poszczególnych podzespołów napędu hydrostatycznego oraz identyfikacja ich parametrów. W ramach niniejszej pracy zostaną przedstawione wstępne wyniki badań doświadczalnych dotyczące wyznaczenia właściwości oraz identyfikacji parametrów podstawowego podzespołu jakim jest akumulator hydropneumatyczny. 2. BADANIA DOŚWIADCZALNE WŁAŚCIWOŚCI AKUMULATORA HYDROPNEUMATYCZNEGO Badania doświadczalne akumulatora hydropenumatycznego zostały przeprowadzone na zbudowanym do tego celu stanowisku badawczym. Schemat układu hydraulicznego stanowiska badawczego przedstawiono na Rysunku 2. W układzie tym znajdują się: 1- badany akumulator hydropneumatyczny, 2 przetwornik ciśnienia oleju, 3 przetwornik temperatury, 4 przepływomierz, 5 zawór dławiący, 6 rozdzielacz 3/3, 7 - zawór maksymalny, 8 pompa wyporowa, 9 zbiornik. Tak zbudowane stanowisko badawcze pozwalało na badania zjawisk zachodzących podczas napełniania i opróżniania akumulatora przy różnych natężeniach przepływu oraz przy różnych wartościach maksymalnego ciśnienia w akumulatorze. W niniejszej pracy prezentowane są wyniki jakie uzyskano podczas badań akumulatora hydropneumatycznego pęcherzowego firmy Italiana EPE AS5 o pojemości nominalnej gazu 5 dm 3 i ciśnieniu nominalnym gazu 3 MPa [3]. 2993

3 Rys. 2. Schemat hydrauliczny stanowiska badawczego do badań właściwości hydrostatycznego układu napędowego: 1- badany akumulator hydropneumatyczny, 2 przetwornik ciśnienia oleju, 3 przetwornik temperatury, 4 przepływomierz, 5 zawór dławiący, 6 rozdzielacz 3/3, 7 - zawór maksymalny, 8 pompa wyporowa, 9 zbiornik. Rys. 3. Przebieg zmian ciśnienia oleju w akumulatorze hydropneumatycznym w czasie przykładowych badań eksperymentalnych podczas rozładowywania. 2994

4 Na rysunku 3, 4 i 5 zostały pokazane zmiany różnych wielkości fizycznych w funkcji czasu w przypadku rozładowywania akumulatora hydropneumatycznego. Na rysunku 3 pokazano przebieg zmian ciśnienia w czasie. W piątej sekundzie pomiaru widoczny jest początek spadku ciśnienia, który kończy się w piętnastej sekundzie pomiaru. Ogólnie czas opróżniania akumulatora wynosił ok 10,3 sek. Wypływowi cieczy z akumulatora towarzyszy wzrost objętości gazu oraz obniżanie się ciśnienia gazu nad przeponą w akumulatorze. Przebieg zmian objętości gazu w akumulatorze hydropneumatycznym określony został poprzez wyznaczenie: objętości nominalnej gazu na podstawie dokumentacji technicznej akumulatora oraz rzeczywistej objętości wypływającego oleju hydraulicznego. Tak wyznaczone zmiany objętości gazu zostały pokazane na rysunku 4. Na rysunku 5 przedstawiony został przebieg zmian chwilowego wydatku objętościowego w funkcji czasu. Widoczny jest gwałtowny wzrost wydatku spowodowany przesterowaniem rozdzielacza hydraulicznego (por. 2 na rysunku 2). Po początkowym wzroście obserwowany jest spadek wydatku co na podstawie zależności Hagena-Poiseuille'a należy tłumaczyć głównie spadkiem ciśnienia oleju wywołanego obniżaniem się ciśnienia gazu w akumulatorze. Rys. 4. Przebieg zmian objętości gazu w akumulatorze hydropneumatycznym w czasie przykładowych badań eksperymentalnych podczas rozładowywania. Rys. 5. Przebieg wydatku objętościowego oleju hydraulicznego wypływającego z akumulatora hydropneumatycznego podczas rozładowywania 2995

5 Producenci akumulatorów hydropneumatycznych, w katalogach służących do doboru akumulatorów do warunków pracy w układzie hydraulicznym, zalecają posługiwanie się charakterystykami akumulatorów w postaci charakterystyk dla przemian izotermicznych lub dla przemian adiabatycznych. Dla porównania z tymi wytycznymi na rysunku 6 przedstawiono charakterystykę badanego akumulatora hydropneumatycznego na płaszczyźnie ciśnienie objętość gazu. Na wykresie przedstawiony został przebieg na podstawie wyników pomiarów doświadczalnych (1), zależności opisujących przemianę adiabatyczną (2) oraz zależności opisujących przemianę izotermiczną (3). Widoczne są nieznaczne różnice przebiegów pomiędzy pomiarem doświadczalnym a przemianą adiabatyczną. Większe różnice są widoczne w przypadku przemiany izotermicznej. Rozbieżności w przypadku przemiany izotermicznej wynikają z faktu, że w przeprowadzonych dynamicznych badaniach doświadczalnych nie było możliwe spełnienie warunków niezbędnych do poprawności opisu zachodzących zjawisk za pomocą przemiany izotermicznej (długotrwałość procesu rozładowywania). Jednocześnie uzyskane wyniki wskazują na nieznaczną wymianę ciepła z otoczeniem ze względu na krótkotrwałość procesu co pozwala w konsekwencji na opis zachodzących zjawisk za pomocą przemiany adiabatycznej. Należy nadmienić, że otrzymane wyniki zostały uzyskane na podstawie szacowania początkowej objętości gazu w pęcherzu w akumulatorze hydropneumatycznym. W przypadku badanego akumulatora podawana przez producenta objętość nominalna gazu tj. 5 litrów - nie jest zgodna z objętością wynikającą z wymiarów gabarytowych akumulatora. Przyjęcie takiej początkowej objętości gazu prowadzi do błędnego opisu zjawisk zachodzących w akumulatorze. Dlatego też w czasie prowadzonych badań na podstawie dostępnej dokumentacji technicznej akumulatora hydropneumatycznego zbudowano model 3D akumulatora. Model ten posłużył do wyznaczenia objętości początkowej gazu w akumulatorze. W ten sposób oszacowana początkowa objętość gazu w akumulatorze wynosi 4,2 litra. Taka też objętość gazu została przyjęta w obliczeniach objętości końcowej gazu na rysunku 4 i 6. Badania doświadczalne obejmowały także opróżnianie akumulatora hydropneumatycznego przy różnych maksymalnych natężeniach przepływu objętościowego. W zakresie prowadzonych badań, w których czas wypływu cieczy był w zakresie 2-12 s nie odnotowano różnić w przebiegu krzywych na charakterystyce akumulatora od tej przedstawionej na rysunku 6. Dlatego też pozostałe charakterystyki te nie zostały przedstawione w niniejszej pracy. Rys. 6. Charakterystyka akumulatora hydropneumatycznego wyznaczona podczas rozładowywania akumulatora: 1 przebieg zmian rejestrowanych w czasie badań doświadczalnych, 2 przebieg zmian opisanych przemianą adiabatyczną, 3 przebieg zmian opisanych przemianą izotermiczną 2996

6 Badania właściwości akumulatora hydraulicznego obejmowały także tak zwane ładowanie akumulatora. Odbywało się to na stanowisku badawczym (por. rys 2) wyposażonym w zasilacz hydrauliczny oraz pompę wyporową o stałym maksymalnym wydatku objętościowym ok 28 dm 3 /min. Zastosowanie pompy o takim wydatku pozwala przeprowadzić badania napełniania akumulatora jednak pojawia się także ograniczenie wynikające z braku możliwości zapewnienia odpowiednio dużego wydatku podczas wszystkich badań tzn. przy czasie napełniania akumulatora poniżej ok. 5-6 sek. Na rysunku 7, 8 i 9 zostały pokazane zmiany różnych wielkości fizycznych w funkcji czasu w przypadku ładowania akumulatora hydropneumatycznego przy częściowym dławieniu na zaworze dławiącym. Na rysunku 7 pokazano przebieg zmian ciśnienia w czasie. W czwartej sekundzie pomiaru widoczny jest początek wzrostu ciśnienia, który kończy się przed dwunastą sekundą pomiaru. Ładowaniu akumulatora towarzyszy spadek objętości gazu przedstawiony na rysunku 8. Rys. 7. Przebieg zmian ciśnienia oleju w akumulatorze hydropneumatycznym w czasie przykładowych badań eksperymentalnych podczas ładowania. Rys. 8. Przebieg zmian objętości gazu w akumulatorze hydropneumatycznym w czasie przykładowych badań eksperymentalnych podczas ładowania. 2997

7 Na rysunku 9 przedstawiono przebieg zmian chwilowego wydatku objętościowego oleju hydraulicznego dopływającego do akumulatora. Zwraca uwagę obszar stałego wydatku objętościowego pomiędzy 4-7 sek pomiaru. Taki przebieg wydatku spowodowany został ograniczeniem wynikającym z wydatku jednostkowego stosowanej pompy wyporowej. W późniejszej fazie pomiaru widoczny jest już spadek wydatku spowodowany także wzrostem ciśnienia oleju i gazu w akumulatorze. Rysunek 10 przedstawia charakterystykę akumulatora dla napełniania. Dla porównania przedstawiono także przebieg zależności opisujących przemianę adiabatyczną (2) oraz zależności opisujących przemianę izotermiczną (3). Widoczne są podobnie jak w poprzednim przypadku nieznaczne różnice pomiędzy pomiarem doświadczalnym a przemianą adiabatyczną. Porównanie przebiegu doświadczalnego oraz opisu uzyskanego przy wykorzystaniu równania adiabaty wskazuje na możliwość opisu zachodzących zjawisk w akumulatorze hydropneumatycznym (a więc i procesów energetycznych w modelu numerycznym napędu hybrydowego) za pomocą przemiany adiabatycznej. Rys. 9. Przebieg wydatku objętościowego oleju hydraulicznego dopływającego do akumulatora hydropneumatycznego podczas ładowania. Rys. 10. Charakterystyka akumulatora hydropneumatycznego wyznaczona podczas ładowania: 1 przebieg zmian rejestrowanych w czasie badań doświadczalnych, 2 przebieg zmian opisanych przemianą 2998

8 adiabatyczną, 3 przebieg zmian opisanych przemianą izotermiczną Rys. 11. Charakterystyka akumulatora hydropneumatycznego przy rozładowywaniu i ładowaniu Rys. 12. Przykład rozkładu temperatury akumulatora hydropneumatycznego bezpośrednio po jego naładowaniu akumulatora. Na rysunku 11 pokazano otrzymaną charakterystykę akumulatora dla cykli ładowania i rozładowania następujących bezpośrednio po sobie w odstępie ok 12 godzin. Widoczna jest po naładowaniu akumulatora zmiana ciśnienia przy stałej objętości gazu (przemiana izochoryczna). Z tego też względu na rysunku widoczna jest także różnica pomiędzy przebiegami podczas ładowania i rozładowywania wynikająca ze zmian zachodzących w gazie wewnątrz pęcherza akumulatora w czasie pomiędzy pomiarami. Podczas badań doświadczalnych właściwości akumulatora hydropneumatycznego do obrazowania zachodzących zjawisk wykorzystano kamerę termowizyjną. Oczywiście nie może ona być wykorzystana do dokładnego pomiaru temperatury gazy jednak pozwala poznać rozkład temperatury oraz miejsca wymiany ciepła w układzie. Przykładowy obraz termowizyjny akumulatora bezpośrednio po jego naładowaniu został przedstawiony na rysunku 12. Pomimo grubej obudowy 2999

9 akumulatora oraz gumowego pęcherza wewnątrz akumulatora widoczny jest wzrost temperatury górnej części akumulatora spowodowany sprężaniem gazu. WNIOSKI W pracy przedstawione zostały wyniki badań doświadczalnych akumulatora hydropneumatycznego. Przeprowadzone badania posłużyły do wyznaczenia charakterystyk akumulatora hydropneumatycznego podczas procesu jego ładowania i rozładowania. Otrzymane charakterystyki dla procesów średnio zmiennych (2-12 sek) odpowiadają przebiegom adiabatycznym i odbiegają od przebiegów izotermicznych prezentowanych przez producentów. Na postawie wyników badań doświadczalnych widać, że zjawiska zachodzące w akumulatorze hydropneumatycznym podczas jego ładowania i rozładowywania mogą być opisywane za pomocą przemian adiabatycznych. W kolejnych etapach badań będą prowadzone prace przy wykorzystaniu opracowanego modelu matematycznego w zakresie optymalizacji procesów energetycznych zachodzących w napędzie hydrostatycznym akumulatorowym. Dzięki temu będzie możliwe prowadzenie badań przetwarzania energii w różnych fazach ruchu pojazdu z napędem hybrydowym elektryczno-hydrostatycznym z odzyskiem energii hamowania. Projekt został sfinansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji numer DEC-2011/01/B/ST8/ Streszczenie W pracy zajmujemy się akumulatorowym napędem elektrycznym, który jest wspomagany akumulatorowym napędem hydrostatycznym. Rozważamy możliwości zastosowania takiego układu do napędzania i hamowania pojazdu. Prezentowane wyniki badań dotyczą badań wybranego podzespołu napędu hydrostatycznego jakim jest akumulator hydropneumatyczny. Zaprezentowane wyniki badań doświadczalnych dotyczyły identyfikacji rzeczywistych właściwości akumulatorów hydropneumatycznych oraz wyznaczenia ich charakterystyk podczas ładowania oraz rozładowywania. Wyniki badań doświadczalnych zostały porównane z przebiegami teoretycznymi. Identyfikacja parametrów akumulatora hydropneumatycznego będzie służyła w dalszych badaniach do opracowania pełnego modelu komputerowego napędu hydrostatycznego oraz modelu pojazdu. Wspomniana struktura będzie wykorzystana do wstępnych symulacyjnych badań przetwarzania energii w różnych fazach ruchu pojazdu z napędem hybrydowym elektryczno-hydrostatycznym. Experimental investigation of hydraulic accumulator Abstract In this paper a battery-electric drive supported by a hydrostatic drive is considered. Such a drive can be employed for accelerating or breaking a vehicle. One of the main components of such drive system is hydraulic accumulator. In this paper results of experimental investigations of the hydraulic accumulator are presented. The presented experimental results are related to the identification of the properties of hydraulic accumulator and the determination of its characteristics during charging and discharging. The experimental results are compared with theoretical values. The analysis of the hydraulic accumulator will be used to propose a model of the drive in the form of an electro-hydrostatic-mechanical structure. That structure will be used in preliminary numerical studies of energy transmission and conversion processes during different stages of the vehicle movements. BIBLIOGRAFIA 1. Grzesikiewicz W., Knap L., Makowski M.: Matematyczny model napędu elektrycznohydrostatycznego, w: TTS Technika Transportu Szynowego, EMI-PRESS, Krasucki J, Rostkowski A. Projektowanie hybrydowych elektrohydraulicznych układów napędowych. Wydawnictwo Naukowe Instytutu Technologii Eksploatacji Państwowego Instytutu Badawczego. Radom

10 3. Materiały handlowe firmy Ponar Wadowice dotyczące akumulatorów pęcherzowych firmy EPE Italiana dostępne na stronie internetowej pod adresem internetowym