Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Возможности повышения эффективности двигателей внутреннего сгорания за счет утилизации теплоты их отработавших газов (состояние вопроса) 13
1.1. Возможность и целесообразность использования теплоты отработавших газов двигателей внутреннего сгорания для повышения их мощностных, экономических и экологических показателей 13
1.2. Системы утилизации теплоты отработавших газов двигателей внутреннего сгорания 21
1.3. Постановка цели и задач исследования 35
Глава 2. Физическая модель силовой установки, включающей поршневой ДВС и систему утилизации теплоты его отработавших газов 39
2.1. Принципы системного анализа установок двухуровневого использования теплоты 40
2.2. Особенности исследуемой силовой установки как многоуровневой технической системы 46
2.3. Процессы, происходящие в утилизационной системе 50
2.3.1. Тепловой аккумулятор 50
2.3.2. Утилизационный двигатель 54
2.4. Показатели для оценки эффективности силовой установки, включающей поршневой ДВС и систему утилизации теплоты его отработавших газов 61
Глава 3. Математическая модель утилизационной системы 65
3.1. Математическая модель процесса теплообмена в тепловом аккумуляторе с фазовым переходом 65
3.2. Математическая модель индикаторного процесса утилизационного поршневого двигателя с внутренним объемным парообразованием 78
Глава 4. Экспериментальная установка. Программа и методика исследования 94
4.1. Экспериментальная установка 94
4.1.1. Стенд для изучения процессов теплообмена в тепловом аккумуляторе 94
4.1.2. Экспериментальная установка для исследования процессов в силовой установке 96
4.2. Программа и методика экспериментального исследования 109
4.2.1. Методика проведения первого этапа экспериментального исследования 110
4.2.2. Методика проведения второго этапа экспериментального исследования 113
4.2.3. Методика проведения третьего этапа экспериментального исследования 115
4.2.4. Методика проведения четвертого этапа экспериментального исследования 116
Глава 5. Результаты экспериментального исследования 118
5.1. Влияние регулировочных и эксплуатационных характеристик утилизационного двигателя на частоту вращения его коленчатого вала, на характер процесса сжатия в нем, дымность и токсичность отработавших газов силовой установки 118
5.2. Оценка адекватности математической модели утилизационной системы 127
5.2.1. Оценка адекватности математической модели теплового аккумулятора 127
5.2.2. Оценка адекватности математической модели рабочего процесса утилизационного двигателя 129
5.3. Исследование рабочего процесса утилизационного двигателя 130
5.4. Изменение мощностных, экономических и экологических показателей дизеля КамАЗ-740 при утилизации теплоты его отработавших газов 142
Заключение 155
Использованная литература 161
Приложения 175
- Системы утилизации теплоты отработавших газов двигателей внутреннего сгорания
- Особенности исследуемой силовой установки как многоуровневой технической системы
- Математическая модель индикаторного процесса утилизационного поршневого двигателя с внутренним объемным парообразованием
- Экспериментальная установка для исследования процессов в силовой установке
Введение к работе
Одна из возможных трактовок понятия «эффективность» заключается в улучшении каких-либо показателей по отношению к исходным [91]. Поэтому повышение эффективности двигателей внутреннего сгорания (ДВС) предполагает улучшение их основных показателей. К этим показателям, в первую очередь, следует отнести мощностные и экономические характеристики. Не менее важна в современных условиях и экологическая безопасность ДВС. Связано это с тем, что ДВС и, прежде всего, поршневые и комбинированные двигатели, являются самыми многочисленными среди тепловых двигателей и источников энергии, потребляемой человечеством. Широкое их распространение обусловлено тем, что в результате многолетнего развития, ставшего возможным благодаря общему научно-техническому прогрессу, успехам металлургии и машиностроения, они достигли весьма высоких энергетических и экономических показателей, обладают достаточной надежностью и хорошо освоены в технологическом отношении. Термодинамические показатели современных поршневых ДВС (ПДВС) близки к предельному теоретически возможному уровню. Однако этот предельный уровень обеспечивает превращение в полезную работу не более 45-46 % термохимической энергии топлива. Остальная теплота, выделившаяся при сгорании топлива, «теряется» либо с поверхности двигателя и его систем, либо с уходящими из него отработавшими газами (ОГ). Значительная часть «потерь» приходится именно на ОГ. В дизелях они составляют 85-110 % по отношению к эффективной мощности, в двигателях с принудительным воспламенением топлива превосходят ее на 25-45 % [1, 2, 29, и др.].
Выбрасываемые в атмосферу ОГ содержат большое количество токсичных веществ и сажи [2, 15, 44, 84, 96, 97, 145 и др.]. Их более 280 и они наносят непоправимый вред здоровью человека, возведенным им зданиям и сооружениям, окружающей природе. В современном двигателестроении снижение экологического вреда, наносимого ПДВС, является важнейшей са-
мостоятельнои задачей, решение которой во многих случаях отрицательно влияет на их мощностные и экономические показатели [33, 55, 80, 84, 112, 136,137 и др.].
Между тем большие «потери» энергии, которыми сопровождается работа ПДВС, свидетельствуют о значительных резервах повышения их показателей в случае утилизации этой энергии. Сказанное относится не только к возможности получения дополнительной работы без потребления дополнительного топлива, но, как показали наши исследования, и к улучшению экологических характеристик ПДВС.
Существует целый ряд технических систем, которые могут быть использованы для утилизации теплоты ОГ ДВС. Сравнительный анализ этих систем, проведенный в настоящей работе, показал перспективность применения утилизационных поршневых двигателей с внутренним объемным парообразованием. Разработка и исследование таких двигателей ведется на кафедре двигателей Челябинского военного автомобильного института. Однако, среди выполненных работ нет комплексного исследования, посвященного вопросам одновременного повышения мощностных, экономических и экологических показателей поршневых ДВС за счет утилизации теплоты их ОГ при помощи поршневых двигателей с внутренним объемным парообразованием. Важнейшим элементом подобного исследования является вопрос возможности стабилизации температуры ОГ ПДВС перед их поступлением в утилизатор, поскольку эффективность утилизационных систем существенно зависит от этой температуры. Температура же эта существенно изменяется в процессе работы двигателей наземной мобильной техники на различных режимах, что снижает эффективность утилизации теплоты ОГ. Стабилизировать колебания температуры ОГ ДВС перед попаданием их в утилизационные системы, и тем самым повысить эффективность утилизации, можно используя принцип аккумулирования теплоты.
Цель настоящего исследования - обеспечить и оценить повышение мощностных, экономических и экологических показателей ПДВС при помощи
утилизационной системы, включающей тепловой аккумулятор и поршневой двигатель с внутренним объемным парообразованием.
Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:
1. Разработать и изготовить опытный образец утилизационной
системы, включающий поршневой двигатель с внутренним объемным
парообразованием и тепловой аккумулятор, стабилизирующий температуру
отработавших газов ПДВС перед их поступлением в утилизационный
двигатель.
2. Разработать математическую модель рабочего процесса
утилизационной системы, включающий тепловой аккумулятор и поршневой
двигатель с внутренним объемным парообразованием.
Создать экспериментальную установку, для исследования процессов в технической системе, включающей в себя ПДВС и разработанную утилизационную систему.
Провести экспериментальные исследования с целью проверки адекватности разработанной математической модели.
Установить характер и объяснить природу влияния температуры отработавших газов ПДВС, температуры стенок цилиндра утилизационного двигателя и регулировочных параметров его системы подачи воды на мощностные, экономические и экологические показатели работы последнего. С помощью разработанной математической модели провести оптимизацию параметров впрыскивания воды в утилизационный поршневой двигатель.
Оценить повышение мощностных, экономических и экологических показателей дизеля КамАЗ-740 за счет использования утилизационной системы, включающий тепловой аккумулятор и поршневой двигатель с внутренним объемным парообразованием.
Объектом исследования являлась техническая система (силовая установка), состоящая из дизеля КамАЗ-740 и утилизационной системы, вклю-
чающей тепловой аккумулятор и поршневой двигатель с внутренним объемным парообразованием.
Предметом исследования служили показатели силовой установки и процессы, протекающие в утилизационной системе, включающей тепловой аккумулятор и поршневой двигатель с внутренним объемным парообразованием.
Обоснованность и достоверность результатов исследования подтверждается применением комплекса современных информативных и объективных методов исследования, подбором измерительной аппаратуры, систематической ее поверкой и контролем погрешностей, выполнением рекомендаций соответствующих стандартов и руководящих технических материалов на испытания и корректной статистической обработкой экспериментальных данных с использованием ЭВМ. Научные положения и выводы проверены результатами, полученными в ходе экспериментов.
Методика исследования базировалась на использовании основных положений системного подхода, метода математического планирования многофакторного эксперимента и компьютерного моделирования, а также статистической обработки результатов на ПК.
Работа носит теоретико-экспериментальный характер. В опытах была использована современная измерительная и вычислительная аппаратура.
Выводы и рекомендации сформулированы на основе результатов натурного и модельного экспериментальных исследований силовой установки, состоящей из дизеля КамАЗ-740 и утилизационной системы, включающей поршневой двигатель с внутренним объемным парообразованием и тепловой аккумулятор.
Научная новизна работы заключается в следующих положениях, выносимых автором на защиту:
- впервые экспериментально подтверждена гипотеза о возможности одновременного повышения мощностных, экономических и экологических показателей поршневых ДВС за счет утилизации теплоты отработавших га-
зов ПДВС с помощью поршневого утилизационного двигателя с внутренним объемным парообразованием;
создана математическая модель, позволяющая исследовать процессы в тепловом аккумуляторе, установленном в выпускной системе ПДВС, влияние температуры отработавших газов ПДВС на входе в утилизационный двигатель, температуры стенок цилиндра последнего, давления, продолжительности и момента начала впрыскивания воды в цилиндр утилизатора на его мощностные, экономические и экологические показатели;
установлена взаимосвязь между температурой отработавших газов ПДВС на входе в утилизационный двигатель, температурой стенок цилиндра последнего, давлением, продолжительностью и моментом начала впрыскивания воды в цилиндр утилизатора с одной стороны и его мощностными, экономическими и экологическими показателями - с другой, а также объяснена природа установленных взаимосвязей;
Практическая ценность работы состоит в том, что использование полученной математической модели позволяет расчетным путем оценить влияние теплового аккумулятора, установленного в выпускной системе ПДВС, температуры ОГ ПДВС на входе в утилизационный двигатель, температуры стенок цилиндра последнего, давления, продолжительности и момента начала впрыскивания воды в цилиндр утилизатора на мощностные, экономические и экологические показатели силовой установки, объединяющей ПДВС и утилизационную систему, включающую поршневой двигатель с внутренним объемным парообразованием и тепловой аккумулятор, стабилизирующий температуру отработавших газов поршневых ДВС перед их поступлением в утилизационный двигатель, а также оптимизировать параметры системы питания этого двигателя водой.
Представленные в диссертации материалы могут найти применение в научно-исследовательских, проектно-конструкторских организациях и на заводах, занимающихся созданием теплосиловых установок на базе поршневых двигателей внутреннего сгорания.
Реализация результатов работы. Материалы диссертационного исследования включены в Типовую программу развития малой энергетики АО «Энерго» и программу НИОКР на 2002-2004 гг. РАО «ЕЭС России»; используются и внедрены в ФГУП 21 НИИИ МО РФ, при выполнении курсовых и дипломных работ, а также при чтении отдельных разделов лекций по дисциплинам «Двигатели военной автомобильной техники», «Конструкция силовых установок многоцелевых гусеничных и колесных машин» и «Теплотехника» в Рязанском, Челябинском военных автомобильных и Омском танковом инженерном институтах.
Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и одобрены на межрегиональной научно-технической конференции «Многоцелевые гусеничные и колесные машины: разработка, производство, боевая эффективность, наука и образование» (Омск, 2002 г.); Международной научно-практической конференции «Актуалные проблемы теории и практики современного двигателестроения» (Челябинск, 2003 г.); II Международном технологическом конгрессе «Военная техника, вооружения и технологии двойного применения в XXI веке» (Омск, 2003 г.); научно-методическом семинаре с участием сотрудников кафедр «Двигатели», «Эксплуатация военной автомобильной техники» и «Автомобильная техника» Челябинского военного автомобильного института (Челябинск, 2003 г.)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, получено положительное решение на полезную модель.
Диссертация содержит 174 страницы машинописного текста, включающего 60 рисунков, 9 таблиц и состоит из введения, пять глав, заключения, списка основной использованной литературы (148 наименований) и приложений.
Системы утилизации теплоты отработавших газов двигателей внутреннего сгорания
Результаты оценки «потерь» энергии с продуктами сгорания (ПС), выбрасываемыми в атмосферу ПДВС, свидетельствуют о значительных резервах повышения экономичности и возможности получения дополнительной полезной работы в случае утилизации этой энергии.
Возможны два направления использования термического потенциала ОГ -для обеспечения теплотой нуждающихся в ней тех или иных потребителей на мобильном средстве и для получения дополнительной полезной работы. Последняя или передается (добавляется) непосредственно на коленчатый вал ПДВС, или используется для привода каких-либо агрегатов и систем силовой установки.
Примером реализации первого направления может служить вариант утилизации теплоты ОГ с помощью теплообменника-змеевика, расположенного в глушителе [23]. Прокачиваемая через змеевик и нагреваемая жидкость может быть использована в холодное время года для обогрева кабины, аккумуляторных батарей, ускоренного прогрева двигателя и т.п. При этом количество теплоты, получаемое циркулирующей жидкостью, весьма существенно — на автомобиле ГАЗ-52, например, оно составляет 24,1 кДж/ч [23]. Широко известны и когерентные установки [24, 49, 76, 109, 119, 136, 149 и др.]. В плане второго направления системы утилизации теплоты ОГ ПДВС можно разделить на пять групп (рис. 1.6). Каждая из приведенных на схеме систем обладает своими достоинствами и недостатками. Рассмотрим более подробно существующие системы утилизации теплоты ОГ ДВС. На рис. 1.7 показана схема комбинированного дизеля корпорации «Термоэлектрон» (США) [143]. Характерной особенностью ее является то, что во вторичном контуре использования теплоты циркулирует свое рабочее тело. Подкачивающим насосом 2 оно в жидком состоянии направляется в подофеватель 6 и затем в парогенератор 5. Здесь, благодаря теплоте, полученной от ОГ дизеля, жидкость испаряется. Пар приводит в действие расширительную машину 4, связанную редуктором с коленчатым валом дизеля. Затем пар через подогреватель (где от него нагревается жидкость, направляющаяся в парогенератор) поступает в конденсатор 7 и оттуда в жидком состоянии рабочее тело возвращается в подкачивающий насос 2. По данным [143] испытания автомобиля с комбинированным двигателем, выполненым по рассмотренной схеме, позволили получить мощность на 15 % выше. Известны СУ, в которых рабочим телом вторичного контура использования теплоты является вода из системы охлаждения ДВС [137] (рис. 1.8). Согласно расчетам [137] повышение КПД в результате реализации такой схемы может достигать 18 %. конденсатор; 5 - насос системы охлаждения ДВС Близкие данные по повышению КПД установок при использовании в качестве вторичного контура паросиловой установки приводятся для дизеля 4 ЧН 12/14-12,7 % [85] и для карбюраторного двигателя ЗИЛ-130-22,2 % [140]. В последней работе оценен и эффект использования дожигателя ОГ поршневого ДВС. Он позволяет дополнительно повысить КПД силовой установки на 5,7 %. Мощность, вырабатываемая во вторичном контуре, может не передаваться непосредственно на коленчатый вал поршневого двигателя, а использоваться для привода устройств, обеспечивающих работу системы охлаждения ДВС [37] (рис. 1.9). Схема включает в себя поршневой ДВС (с газотурбинным наддувом или без него), ОГ которого, проходя через парогенератор 2, превращают в пар охлаждающую жидкость, подаваемую сюда насосом 6. Пар поступает в турбину 5, где совершает полезную работу. Мощность, развиваемая турбиной, используется для привода насоса системы охлаждения 6 и вентилятора 4. После турбины пар проходит через конденсатор 3, превращается в жидкость, охлаждается и направляется в рубашку охлаждения ДВС. В атмосферу Учитывая, что затраты мощности на осуществление охлаждения составляют около 10 % [137], эту цифру можно считать выигрышем, который позволит получить рассмотренный вариант утилизации теплоты ОГ. Достоинством рассмотренной схемы автор считает возможность ликвидации традиционных устройств, регулирующих интенсивность охлаждения: муфты (или реле) отключения вентилятора и клапана (термостата), регламентирующего циркуляцию жидкости в системе охлаждения. Обусловлено это тем, что в данном случае интенсивность охлаждения прямо связана с нагрузкой ДВС, а не с частотой вращения его коленчатого вала, как в традиционных схемах систем охлаждения. В работе [139] приводятся материалы по одноступенчатой силовой паровой турбине, предназначенной для утилизации теплоты ОГ ДВС. Одним из возможных направлений в утилизации теплоты ОГ является ее трансформация в электрическую энергию с помощью термоэлектрических пре образователей (модулей) [40, 43]. На рис. 1.10 показана соответствующая принципиальная схема утилизационной установки на базе термоэлектрического генератора. Испытания [41] показали, что материалы различных модулей работают в оптимальном режиме при разности температур "холодного" и "горячего" спаев термоэлемента AT = 220 К (модуль УГМ-80) и AT = 600 К (модуль УГМ-200) (рис. 1.11).
Особенности исследуемой силовой установки как многоуровневой технической системы
Объектом настоящего исследования является техническая система - силовая установка, состоящая из двух контуров использования теплоты, одним из которых является ПДВС, а другим - система утилизации теплоты его ОГ, включающая тепловой аккумулятор и поршневой двигатель с внутренним парообразованием. Подобные технические системы называют установками двухуровневого использования теплоты [59].
Первичным контуром использования теплоты в настоящем исследования служил дизель КамАЗ-740. В нем при сжигании топлива выделяется теплота, имеющая относительно высокий термический потенциал, соответствующий температуре процесса сгорания. Часть этого потенциала используется для совершения полезной работы. Другая часть энергии, выделившейся при сгорании топлива в форме теплоты, уходит из цилиндра: через стенки, окружающие ПС, с «потерянной» частью рабочего тела в связи с утечками его из надпоршневого пространства, с ОГ. Как отмечалось ранее, особо велики «потери» энергии с ОГ, и их целесообразно утилизировать. Температура этих газов меньше, чем во время сгорания, поэтому термический потенциал теплоты ОГ соответственно ниже. Это обстоятельство следует иметь в виду, так как дальнейшее использование указанного потенциала предполагает его трансформацию в работу в УД. Предназначенную для этой цели систему называют вторичным контуром использования теплоты.
Рассматриваемая СУ представляет собой единый комплекс разнообразных элементов. В этом комплексе непрерывно осуществляются взаимно связанные физические и химические процессы самой различной природы. Всякое изменение любого параметра или характеристики любого элемента СУ в той или иной степени влияет на параметры, характеристики и показатели всей системы. Одновременно на работе системы в целом сказывается воздействие внешних факторов — условий эксплуатации СУ и условий окружающей среды (ОС). Таким образом, для рассматриваемой системы характерна большая сложность внутренних и внешних связей и в то же время необходим их комплексный учет. Указанные обстоятельства заставляют при исследовании и оценке качества СУ использовать системный подход, цель которого заключается в раскрытии реального механизма функционирования сложных систем, комплексного решения задач их анализа и синтеза. Анализ СУ, рассматриваемого в настоящей работе типа показывает, что они могут и должны служить предметом системного подхода, так как действительно представляют собой сложные системы, которые, с одной стороны, являются составной частью более сложной системы - мобильного средства, определяющей рамки ее создания и функционирования; с другой - ввиду наличия отдельных контуров СУ, эту систему, в свою очередь, можно рассматривать как сложную совокупность взаимосвязанных подсистем. Сказанным подтверждается принципиальная возможность и необходимость использования системного подхода при исследовании особенностей работы СУ. Следует отметить, что «в настоящее время системный подход еще не вполне оформился теоретически и недостаточно оснастился конструктивным аппаратом исследования. В связи с этим системный подход нельзя рассматривать как совокупность строго установленных правил» [113]. Тем не менее, обобщая эвристические процедуры системного подхода, можно сформулировать следующие основные этапы исследования процессов, происходящих в СУ: 1. Выделение исследуемой системы из более общей. На этом этапе должны быть четко очерчены границы исследуемой системы, установлены ее внешние связи, проведен анализ целей ее создания и функционирования, сформулирована в общем виде задача по изучению системы, а также выбраны соответствующие конкретные критерии ее оценки. 2. Выяснение внутренней структуры исследуемой системы, состава ее подсистем, элементов и видов связей между ними. Цель этого этапа - достижение возможно более отчетливого представления о внутренней структуре и свойствах объектов исследования, т. е. построение иерархии СУ. 3. Формулировка задач, решаемых применительно к каждой подсистеме (элементу). Целью этого этапа является распределение по уровням иерархии всего многообразия конкретных задач, которые необходимо решить в процессе анализа СУ. 4. Выявление характера взаимодействия отдельных систем в рамках ус-та-новленной иерархии. Цель этого этапа состоит в определении тех показателей, которые характеризуют взаимодействие каждой системы с другими и внешней средой. 5. Проведение систематизирующего ретроспективного анализа и оценка перспективных направлений исследования и создания СУ рассматриваемого в настоящей работе профиля. В соответствии с методологией системного подхода обсуждаемую физико-техническую систему можно представить в виде структурной схемы (рис. 2.1). Выше отмечалось, что СУ как система, с одной стороны, входит в более общие внешние системы. Одной из них является мобильное средство, на котором установлена СУ. Другая внешняя система - окружающая среда. Использование СУ происходит при постоянном участии человека, который управляет ею, производит обслуживание и регулировку. Он также является внешней системой по отношению к СУ. С другой стороны, СУ включает в себя две подсистемы: первичный и вторичный контуры использования теплоты. Каждая из подсистем, в свою очередь, состоит из элементов. Так, при использовании в качестве первичного контура дизеля, это будут: системы питания двигателя воздухом и топливом, охлаждения, смазочная система, кривошипно-шатунный механизм, механизм газораспределения и др. При использовании в качестве вторичного контура утилизационной системы соответствующая подсистема будет включать в себя ТА, систему питания УД водой, его кривошипно-ша-тунный механизм, остов УД и т. п. Как было отмечено выше, рассмотрению СУ как самостоятельной системы должно предшествовать выделение ее из более общей системы и установление ее внешних связей. При этом следует рассматривать две категории связей: одни из них можно назвать прямыми, другие - обратными. К числу первых относится все, что обусловливает воздействие внешних систем на СУ. Вторые -включают в себя факторы, воздействующие со стороны СУ на внешние системы. Воздействие внешних систем на СУ (прямые связи) могут проявляться как индивидуально (со стороны отдельной системы), так и комплексно (со стороны двух или более внешних систем одновременно). Так, очевидно, практически только атмосферные условия определяют состояние воздуха, поступающего в СУ. Режим же работы, например, дизеля «диктуется» человеком в зависимости от условий эксплуатации мобильного средства.
Математическая модель индикаторного процесса утилизационного поршневого двигателя с внутренним объемным парообразованием
Уравнение закона сохранения энергии (первого закона термодинамики). Для открытой равновесной термодинамической системы (к которой можно отнести рассматриваемую задачу) уравнение закона сохранения энергии в дифференциальной форме имеет вид [111]:
где dE -изменение полной энергии рабочего тела внутри цилиндра за бесконечно малый период протекания рабочего процесса; 8Q -количество энергии, которой обменялось рабочее тело с ОС в форме теплоты за бесконечно малый период протекания рабочего процесса; 5L - количество энергии, которой обменялось рабочее тело с ОС в форме работы за бесконечно малый период протекания рабочего процесса; drrij -масса, входящая в цилиндр или выходящая из него за бесконечно малый период протекания рабочего процесса; hi - удельная энтальпия рабочего тела, вошедшего в цилиндр или вышедшего из него за бесконечно малый период протекания рабочего процесса; СІ - скорость, с которой рабочее тело входит в цилиндр или выходит из него; g - гравитационная постоянная; Zt -координата, определяющая потенциальную энергию в поле сил тяжести элементарной массы drrii.
Члены правой части уравнения (3.50) при решении конкретной задачи должны записываться со знаком «+», если за счет учета этого члена энергия рабочего тела в цилиндре увеличивается, и наоборот.
При рассмотрении процессов в паровом поршневом двигателе с внутренним объемным парообразованием, центр тяжести рабочего тела в цилиндре которого практически не перемещается, а кинетическая энергия втекающего в цилиндр и вытекающего из него рабочего тела не имеет практического значения, членом можно пренебречь. Относительно малая плотность рабочего тела, используемого в рассматриваемом двигателе (ОГ ПДВС и сильно перегретые водяные пары) делает пренебрежимо малой и потенциальную составляющую энергии рабочего тела. Наконец, если допустить, что коэффициент сжимаемости рабочего тела близок к единице (правомерность этого допущения рассмотрена ниже), то формула (3.50) может быть сведена к уравнению вида: где dU - изменение полной внутренней энергии рабочего тела в цилиндре двигателя за бесконечно малый период протекания рабочего процесса. Уравнение состояния рабочего тела. Поскольку в процессе совершения рабочего цикла поршневого двигателя с внутренним объемным парообразованием происходит непрерывное изменение параметров состояния рабочего тела, для установления количественной связи между ними к приведенным выше уравнениям необходимо добавить уравнение состояния, которое в общем случае имеет вид: Заметим, что использование такого уравнения будет правомерным только в случае допущения того, что механическое взаимодействие рабочего тела с внешней средой вызывает мгновенное, одновременное и одинаковое соответствующее изменение объемов любого элемента рабочего тела по всему объему внутрицилиндрового пространства; что теплообмен между рабочим телом и ОС сопровождается одновременным и одинаковым подводом или отводом теплоты от каждого элемента рабочего тела в цилиндре и что массообмен с внешней средой одновременно и одинаково влияет на параметры во всех элементах рабочего тела во внутрицилиндровом пространстве. Другими словами, любое взаимодействие (энергетическое и материальное) одновременно, мгновенно вызывает одинаковое изменение параметров состояния рабочего тела во всех точках внутрицилиндрового пространства, т. е. параметры состояния во всех точках внутри цилиндра в любой момент времени одинаковы. Насколько правомерно отмеченное выше допущение для поршневого двигателя можно судить по следующим соображениям [107]. Выравнивание поля давлений в цилиндре двигателя происходит со скоростью звука a = /kRoT, где к — показатель адиабаты; Ro — индивидуальная газовая постоянная рабочего тела; Т — температура рабочего тела в цилиндре. При характерном размере цилиндра L скорость выравнивания поля давления Дф = L/ n-VkRoTJ что не превышает 0,5-1,0 градуса ПКВ. Но для использования уравнения состояния необходимо, чтобы скорость выравнивания температуры в этом объеме была бы такого же порядка. Основную роль в создании турбулентности заряда в цилиндре двигателя играют крупномасштабные пульсации, масштабы которых имеют величину характеристической длины, определяющей размеры области, т. е. размера S L1 - текущего расстояния от головки цилиндра до днища поршня. Частоты этих крупномасштабных пульсаций имеют величину порядка отношения средней скорости рабочего тела в цилиндре к характеристическому S ц. Так, если основываться на том, что максимальная частота турбулентности генерируется в ходе наполнения, то в конце процесса сжатия она составит величину
Экспериментальная установка для исследования процессов в силовой установке
Как видно из материалов табл. 5.2, на частоту вращения коленчатого вала УД наиболее существенно влияет продолжительность впрыскивания воды (у этого фактора самый большой по абсолютной величине коэффициент). Эффект влияния давления впрыскивания соответствует 59,5 %, момента начала впрыскивания - 17,7 %; температуры ОГ дизеля на входе в УД - 14,6 %, температуры стенок цилиндра - 4,0 %. Приведенные цифры свидетельствуют о том, что частота вращения коленчатого вала УД сильнее всего зависит от продолжительности впрыскивания воды. Чем больше фВпр, тем дольше поддерживается высокое давление в процессе расширения и тем больше крутящий момент на коленчатом валу. Весьма существенное влияние на частоту вращения коленчатого вала УД давления впрыскивания тоже хорошо объяснимо. Чем выше это давление, тем больше цикловая подача, выше давление в цилиндре и, в конечном счете, тангенциальная сила на кривошипе, формирующая крутящий момент. Влияние момента начала впрыскивание не столь ощутимо (в сравнении с характеристиками впрыскивания, определяющими величину цикловой подачи), хотя и вполне заметно. Учитывая, что максимальное кодовое значение Х5 соответствует впрыскиванию в ВМТ, а минимальное - за 30 град ПКВ до ВМТ, можно констатировать, что чем ближе к ВМТ начинается впрыскивание, тем большее давление в цилиндре развивается после ВМТ - в процессе расширения, с вытекающими отсюда последствиями: большей тангенциальной силой на кривошипе и, соответственно, большим крутящим моментом. Неожиданно небольшим, на первый взгляд, оказалось влияние на частоту вращения коленчатого вала температуры ОГ дизеля на входе в УД. Однако, это вполне объяснимо. Дело в том, что даже при относительно невысокой начальной температуре ОГ после их сжатия температура становится вполне достаточной для интенсивного испарения и перегрева пара и ее дальнейшее увеличение мало отражается на величине давления в цилиндре. Совсем слабо зависит частота вращения коленчатого вала УД от температуры стенок внутрицилиндрового пространства (в испытанном диапазоне). Изменение ее от 80 до 150 С практически не оказало никакого влияния, хотя из формулы (5.1) видно, что увеличение температуры все-таки ведет к некоторому росту частоты вращения. Причина этого заключается в несколько меньшем теплоотводе от рабочего тела в стенки внутри-цилиндрового пространства.
Анализируя уравнение (5.2), следует иметь в виду, что три фактора (Рвпр фвпр и ) и, соответственно, их кодовые значения Х3, Х4 и Х5, в формуле отражают влияние частоты вращения коленчатого вала УД на величину показателя политропы сжатия. Как оказалось, именно от частоты вращения больше всего зависит псж. Самый большой эффект воздействия принадлежит давлению впрыскивания воды, весьма существенно влияние продолжительности ее подачи в цилиндр - 58,5 %, свой вклад вносит и момент начала впрыскивания (15,0 %), т. е. те факторы, которые в соответствии с уравнением (5.1) в основном определяют частоту вращения коленчатого вала утилизационного двигателя. Как видно из уравнения (5.2), увеличение частоты вращения проводит к росту величины показателя политропы. Природа этого факта легко объяснима - чем больше циклов совершается за одно и то же время, тем короче период сжатия, т. е. тем меньшее время происходит тепло-отвод от рабочего тела к стенкам внутрицилиндрового пространства и, соответственно, меньшее количество теплоты успевает «уйти» в стенки. Из термодинамики же известно, что чем меньше теплоотвод при сжатии, тем больше численное значение показателя политропы. Значительное влияние на величину показателя политропы сжатия оказывает температура ОГ дизеля (72,0 %). При этом чем выше температура, тем больше показатель политропы. Обсуждая причины установленной взаимосвязи, следует иметь в виду, что увеличение температуры заряда, с одной стороны, обусловливает большую разницу температур газов и стенок. Это увеличивает теплоодвод от рабочего тела и ведет к уменьшению показателя политропы. Однако более высокая начальная температура ОГ приводит к значительно более интенсивному росту температуры в конце процесса, так как показатель политропы больше единицы. Последнее обстоятельство оказалось решающим и привело к итоговому увеличению показателя политропы процесса сжатия с ростом температуры ОГ дизеля. Чем выше температура стенок внутрицилиндрового пространства, тем меньше разница температур сжимаемого рабочего тела и поверхности, которой передается теплота. Уменьшение теплоотвода ведет к увеличению показателя политропы. Заметим только, что влияние обсуждаемого фактора проявляется очень слабо (всего 4,0 %). Можно предположить, что оно оказалось столь слабым в связи с относительно низкой температурой стенок и незначительным диапазоном ее изменения.
На снижение дымности ОГ наиболее существенно влияет давление впрыскивания воды в цилиндр УД. Связано это с тем, что при неизменных прочих факторах повышение рвпр приводит к увеличению количества поступающей воды, а именно она «связывает» и в последующем выносит из УД сажу. Это убедительно показал анализ конденсата. Весьма сильно положительное влияние и продолжительности впрыскивания. Чем дольше подается вода в цилиндр УД, тем, при прочих одинаковых условиях, в нем будет больше воды с вытекающими отсюда очевидными последствиями. Очень сильно эффект снижения дымности связан и с температурой ОГ, поступающих в УД из дизеля. Но чем выше эта температура, тем менее ощутимо влияние утилизатора. Дело в том, что рост Тог в экспериментах осуществлялся на фоне сохранения неизменными величин остальных факторов, т. е. количество поступавшей в цилиндр УД воды оставалось неизменным. Рост же температуры ОГ в дизеле происходил за счет увеличения количества сжигаемого в нем топлива при непрерывно уменьшающемся коэффициенте избытка воздуха и соответственном увеличении дымности ОГ. Таким образом, имел место рост дымности ОГ при неизменном нейтрализующем («очищающем») воздействии утилизатора. Достаточно слабо влияет на снижение дымности ОГ температура стенок цилиндра и совсем незначительно - угол начала впрыскивания воды, увеличение которых несколько уменьшает величину обсуждаемого показателя. Малый эффект воздействия двух последних факторов позволяет, на наш взгляд, не обсуждать природу их влияния на снижение дымности ОГ.
Наиболее существенное влияние на изменение содержания оксида углерода в ОГ при утилизации их теплоты оказывает продолжительность впрыскивания воды в цилиндр УД. Это понятно, так как чем дольше поступает вода (при прочих одинаковых условиях), тем ее больше и тем продолжительней период взаимодействия окислителя (образовавшегося в результате парообразования) с СО. Весьма существенно также положительное влияние роста давления впрыскивания и температуры ОГ. Первое обусловливает увеличение количества и более быстрое (в связи с мелким распыливанием воды) появление окислителя в цилиндре, а второе интенсифицирует протекание химических реакций «доокисления» СО до СОг- Очень слабо и в обратном направлении проявляется воздействие момента начала подачи воды в цилиндр. Видимо, чем раньше попадает вода в цилиндр, тем при меньшей (в среднем) температуре протекают химические реакции, что несколько снижает эффект нейтрализации СО.
На степень снижения содержания в ОГ углеводородов при утилизации теплоты ОГ наибольшее влияние оказывает величина давления впрыскивания воды в цилиндр. Здесь в полной мере проявляется влияние ее количества и мелкости распыливания. Несколько неожиданным оказалось слабое (положительное, что вполне понятно) действие продолжительности впрыскивания. Достаточно существенна зависимость обсуждаемого показателя от температуры ОГ. Чем она выше, тем интенсивнее протекание химических реакций и, как следствие, заметнее эффект нейтрализации.
