Введение к работе
Актуальность темы. В структуре энергозатрат индустриального комплекса развитых стран одним из основных потребителей топлив органического происхождения являются установки промышленного транспорта с двигателями внутреннего сгорания. Значительный резерв улучшения технико-экономических показателей двигателей транспортных установок связан с утилизацией бросовой тепловой энергии охлаждающей жидкости и отработавших газов.
Традиционные схемы внешней утилизации, как правило, основаны на вторичном использовании теплоты для технологических нужд. Наиболее широкое применение такие схемы получили в крупнотоннажных судовых установках промышленного транспорта, а также в силовых агрегатах трубопроводного транспорта, где эффект вторичного использования тепловой энергии компенсирует затраты, связанные с усложнением конструкции и эксплуатации энергетического комплекса,
В мобильных установках промышленного транспорта малой и средней мощности находят применение схемы утилизации, основанные на использовании специально предназначенных для этой цели расширительных машин, как правило, лопаточного типа (сопловые турбины), преобразующих часть избыточной тепловой энергии в механическую работу. К недостаткам таких схем относятся высокая стоимость, недостаточная надежность и сложность эксплуатации.
Наиболее простыми в изготовлении и обслуживании являются утилизационные системы, основанные на использовании эжекционных эффектов для наддува ДВС. Отсутствие механических подвижных элементов в таких системах обусловливают их высокую надежность и низкую стоимость. Анализ эжекционных систем утилизации показал, что наиболее высокая степень утилизации тепловой энергии отработавших газов и охлаждающей жидкости двигателя реализуется в пароэжекционных системах наддува (ПЭСН) непрерывного действия. Принципиальным качеством систем ПЭСН является возможность повышения давления эжектируемого потока практически без увеличения противодавления выпуску, что обуславливает возможность дополнительного улучшения наполнения цилиндров за счет улучшения качества продувки и снижения затрат энергии на осуществление газообмена в цилиндрах двигателя установки промышленного транспорта.
Данная работа посвящена решению научной задачи - улучшению эксплуатационных показателей транспортной установки с двигателем внутреннего сгорания за счет утилизации теплоты последнего в системе воздухоснабжения.
Связь работы с научными программами, планами, темами. Диссертационная работа выполнена в соответствии с государственной научно-технической программой "Экологически чистая энергетика и ресурсосберегающие технологии" в рамках госбюджетной НИР "Создание пароэжекционнои системы утилизации энергии теплосиловых установок".
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является улучшение мощностных, экономических и экологических показателей установок промышленного транспорта путем применения пароэжекционнои системы утилизации теплоты силовых агрегатов.
Для достижения поставленной цели предусмотрено решение следующих задач:
-
Анализ и обобщение основных направлений развития устройств утилизации теплоты в установках промышленного транспорта.
-
Разработка комплекса математических моделей и методик расчета рабочих процессов систем пароэжекционного наддува: газодинамического цикла паровоздушного эжектора; определения показателей газообмена двигателя с ПЭСН; поиска режимов совместной работы двигателя установки промышленного транспорта и ПЭСН.
-
Проведение расчетно-экспериментальных исследований по уточнению механизма протекания газодинамических и теплообменных процессов в структурных элементах ПЭСН и установление связи между показателями работы двигателя и конструктивными параметрами системы наддува. Выявление возможности повышения эффективности работы пароэжекционнои системы наддува, разработка и апробация способов и устройств совершенствования эксплуатационных свойств ПЭСН.
-
Разработка рекомендаций по проектированию и оптимизации конструктивных параметров систем пароэжекционного наддува двигателей установок промышленного транспорта для условий работы в широком диапазоне эксплуатационных режимов.
Научная новизна полученных результатов:
-
Обобщены основные направления развития схем и конструкций систем утилизации теплоты двигателей установок промышленного транспорта. Раскрыты и проанализированы физические особенности рабочих процессов паровоздушного эжектора, предложены концепции совершенствования его свойств.
-
Получены новые данные расчетно-теоретических и экспериментальных исследований пароэжекционнои системы наддува двигателя 448.5/11. Расширено представление о механизме протекания газодинамических процессов в паровоздушном эжекторе.
-
Разработан комплекс математических моделей рабочих процессов системы пароэжекционного наддува, в том числе: методика поиска опта-
мальных параметров эжектора; методика определения показателей газообмена двигателя с ПЭСН; замкнутая математическая модель рабочих "процессов в основных элементах двигателей машин промышленного транспорта с ПЭСН, которая позволяет прогнозировать эффективные показатели работы двигателя в зависимости от конструктивных параметров эжектора.
4. Обоснованы научные принципы и способы улучшения эксплуатационных свойств паровоздушного эжектора. Выявлена и оценена возможность повышения к.п.д. ПЭСН путем оптимизации геометрических параметров эжектора, в частности, применения системы с изменяемой геометрией активного сопла эжектора на различных нагрузочных и скоростных режимах работы установки промышленного транспорта.
Практическая ценность полученных результатов.
-
Результаты и рекомендации выполненной работы способствуют созданию современных систем утилизации теплоты двигателей установок промышленного транспорта малой и средней мощности.
-
Разработанные методы, алгоритмы и программы расчета характеристик, агрегатов и основных Элементов системы пароэжекционного наддува позволяют существенно сократить трудоемкость и стоимость исследовательских, опытно-конструкторских и доводочных работ, а также расширить область поиска новых конструктивных и принципиальных решений при создании систем воздухоснабжения силовых установок промышленного транспорта.
-
Замкнутая математическая модель рабочих процессов в основных элементах КДВС и ПЭСН позволяет исследовать влияние конструктивных и режимных параметров эжектора на показатели работы поршневой части двигателя. Применение замкнутой математической модели значительно упрощает поиск сочетаний конструктивных параметров паровоздушного эжектора, обеспечивающих получение требуемых нагрузочных и скоростных характеристик КДВС.
-
Определены оптимальные конструктивные параметры системы пароэжекционного наддува, выявлены основные направления совершенствования эксплуатационных свойств, предложены мероприятия по их практической реализации.
-
Достигнуто повышение к.п.д. опытных конструкций ПЭСН силовых агрегатов промышленного транспорта до 0.3. Опытные установки ПЭСН могут служить как объектом, так и инструментом экспериментальных исследований по доводке рабочего процесса КДВС.
-
Разработан ряд опытных конструкций систем пароэжекционного наддува. Проведены моторные испытания опытного образца ПЭСН в составе дизеля 448.5/11. Испытания подтвердили возможность улучшения
технико-экономических показателей транспортных двигателей.
Внедрение научных разработок. Результаты работы используются в проектных и исследовательских подразделениях АО "Совтрансавто-Луганск", ГХК "Лугансктепловоз". Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований отражены в программах учебных курсов "Транспортные устройства и основы их эксплуатации" по специальности 7.100401 - Организация перевозок и управления на транспорте и "Системы ДВС", "Системы наддува и газообмена" по специальности 7.090210 - Двигатели внутреннего сгорания в Восточноукраинском государственном университете.
Личный вклад соискателя. В диссертационной работе лично автором получены следующие наиболее существенные теоретические и практические научные результаты, выносимые на защиту:
-
Комплекс методов и алгоритмов расчета рабочих процессов структурных элементов пароэжекционнои системы наддува, включающий математическую модель рабочего цикла паровоздушного эжектора; методику определения показателей газообмена двигателя с ПЭСН; метод поиска режимов совместной работы двигателя установки промышленного транспорта и ПЭСН.
-
Новые данные расчетно-теоретических и экспериментальных исследований, расширяющие представление о режимах работы и механизме протекания газодинамических процессов в эжекторе. Теоретическое обоснование и практическая реализация способа повышения эффективности работы паровоздушного эжектора в широком диапазоне области эксплуатации двигателей установок промышленного, транспорта.
-
Переданные промышленности схемные и конструктивные решения, а также рекомендации по выбору рациональных конструктивных и режимных параметров системы пароэжекционного наддува.
Характеристика методологии исследования. Применяемая в диссертации совокупность методов и приемов базируется на принципах системности, предусматривающих: комплексный подход к проблеме совершенствования' систем утилизации теплоты силовых агрегатов промышленного транспорта; расчетно-экспериментальный метод научного исследования; разработку научных положений, позволяющих в сочетании с известными рациональным образом обеспечить решение цели и задач диссертации. При этом новые методики математического моделирования рабочих процессов системы пароэжекционного наддува предусматривают использование дивергентных методов численного интегрирования, обеспечивающих выполнение законов сохранения массы, импульса и энергии в потоках рабочих сред, идентификацию математических моделей с реальными процессами, подтвержденными экспериментально.
Экспериментальные исследования рабочих процессов систем паро-эжекционнсго наддува проводились с использованием современной измерительной и регистрирующей аппаратурой на специально оборудованных стендах кафедры "Автомобили и ДВС" ВУГУ. Объектом исследований является установка промышленного транспорта, оснащенная двигателем внутреннего сгорания.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований. Расхождение в пределах 3-5%.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на конференциях: 5-й международной конференции "Проблемы развития локомотивостроения"( Луганск, 1995), 1-ом и 2-ом республиканских научно-технических семинарах по улучшению показателей тепловых двигателей и ресурсосбережению (Мелитополь, 1995, 1996), Международной научно-практической конференции "Автоматизация проектирования и производства изделий в машиностроении" (Луганск, 1996), II Международной конференции "Состояние и перспективы развития электроподвижного состава" (Новочеркасск, 1997), а также научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Восточноукра-инского государственного университета (Луганск, 1992-1997).
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 8 научных работах.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, выводов, приложений. Полный объем работы 220 страниц. Диссертация содержит 70 иллюстраций на 55 страницах, 4 таблицы на 4 страницах, 4 приложения на 22 страницах, список использованных источников из 168 наименований на 16 страницах.