Введение к работе
Актуальность работы. Важнейшую роль в решении проблемы энергетической безопасности России играют двигатели внутреннего сгорания (ДВС) и, прежде всего, поршневые, которые являются самыми многочисленными среди тепловых двигателей и источников энергии, потребляемой человечеством. Повышение эффективности поршневых ДВС (ПДВС) предполагает улучшение их основных показателей, к которым в первую очередь, следует отнести мощностные, экономические и экологические. Однако улучшение названных показателей является серьезной проблемой, обусловленной рядом обстоятельств. Прежде всего, современные ПДВС обеспечивают превращение в полезную работу не более 45-46 % термохимической энергии топлива. Остальная «теряется» либо с поверхности двигателя и его систем, либо (в основном) с уходящими из него отработавшими газами (ОГ), которые содержат, к тому же, большое количество токсичных веществ. Необходимо совершенствование систем наддува и систем пуска двигателей при низких температурах окружающей среды.
Сказанное свидетельствует о существовании противоречия между безальтернативной сегодня потребностью человечества продолжать широкое использование ПДВС для своих нужд, с одной стороны, и значительными потерями энергии с их ОГ, вредным воздействием ОГ на человека и окружающую среду (ОС), а также сложностью пуска этих двигателей при низких температурах - с другой. Как показал проведенный в первой главе диссертации анализ, это противоречие, может быть сглажено уменьшением колебания температуры рабочего тела в различных системах двигателя и вопросы дальнейшего повышения эффективности ПДВС во многом связаны (объединены) одной общей научной проблемой - проблемой стабилизации температуры рабочего тела или процесса передачи потока энергии (в форме теплоты) в тех или иных системах.
Цель настоящего исследования - повысить эффективность ПДВС, используя принцип аккумулирования энергии для стабилизации температуры рабочего тела или процесса передачи потока теплоты в различных системах двигателя.
Гипотеза исследования. Используя принцип аккумулирования энергии с помощью тепловых накопителей можно стабилизировать температуру рабочего тела (РТ) в системе наддува, утилизировать «потери» теплоты с ОГ, снизить их токсичность и повысить надежность пуска в условиях низких температур, обеспечив тем самым повышение эффективность ПДВС.
Для достижения указанной цели на основании выдвинутой гипотезы было необходимо решить следующие задачи:
1. Рассмотреть физическую, термодинамическую природу процессов демпфирования (стабилизации) колебаний температуры рабочего тела в системах наддува, нейтрализации отработавших газов и стабилизации теплового потока в системах утилизации теплоты отработавших газов поршневых ДВС или продуктов сгорания теплогенерирующих установок и составить их математическое описание.
-
Для систем наддува, утилизации теплоты отработавших газов поршневых ДВС и продуктов сгорания теплогенерирующих установок определить целесообразную температуру рабочего тела и процесса передачи теплового потока.
-
Разработать и изготовить опытные образцы соответствующих стабилизаторов температуры рабочего тела и процесса передачи теплового потока.
-
Провести экспериментальные исследования на моделях и двигателях с целью проверки адекватности разработанных математических моделей процессов демпфирования колебаний температуры рабочего тела в системах наддува, нейтрализации отработавших газов и стабилизации теплового потока в системах утилизации теплоты отработавших газов поршневых ДВС и продуктов сгорания теплогенерирующих установок.
-
Оценить эффект от демпфирования температуры рабочего тела в системах наддува, нейтрализации отработавших газов и стабилизации теплового потока в системах утилизации теплоты отработавших газов поршневых ДВС и продуктов сгорания теплогенерирующих установок.
Объектом исследования служили:
-
энергетические процессы в системах аккумулирования энергии (содержащих теплоаккумулирующее вещество (ТАВ), находящееся в состоянии фазового перехода), обеспечивающих стабилизацию температуры рабочего тела для повышения эффективности процессов, происходящих либо с помощью этих тел, либо непосредственно в этих телах;
-
рабочие процессы дизелей ЯМЗ-8424 и КамАЗ-740, а также процессы в технической системе, объединяющей отопитель ОВ-65Б и утилизационную стирлинг-электрическую установку (СЭУ), работающую за счет теплоты ПС, выбрасываемых из отопителя.
Предметом исследования являлись закономерности изменения:
-
температуры наддувочного воздуха (НВ) при прохождении его через стабилизатор температуры и параметров рабочего процесса дизеля ЯМЗ-8424 в зависимости от температуры свежего заряда;
-
температуры ОГ дизеля КамАЗ-740 при прохождении их через стабилизатор температуры и влияние этих изменений на эффективность снижения концентрации токсичных веществ в каталитическом нейтрализаторе (КН);
-
энергетических характеристик ОГ дизеля КамАЗ-740 в результате оборудования его выпускной системы КН с утилизатором теплоты и подачей дополнительного воздуха в нейтрализатор, а также изменения за счет этого мощностных, экономических и экологических показателей СУ, включающей двигатель КамАЗ-740 и СЭУ, утилизирующую теплоту ОГ дизеля;
-
энергетических характеристик работы отопителя ОВ-65Б и утилизационной СЭУ, оборудованной системой стабилизации температуры процесса подвода теплоты от ПС к рабочему телу двигателя Стерлинга (ДС).
Методика и методы исследования. Методика исследования предусматривала сочетание натурных испытаний с численным экспериментом. Исследования были проведены на основе использования методов теории двигателей, термодинамического анализа и математического моделирования, математической и статистической обработки экспериментальных результатов.
Обоснованность и достоверность результатов исследования подтверждается достаточным объемом экспериментов; применением комплекса современных, информативных и объективных методов исследования, соответствующих государственным стандартам; использованием современной измерительной аппаратуры, систематической её проверкой и контролем погрешностей; подтверждением теоретических результатов экспериментальными, а также сопоставлением полученных результатов с данными других исследователей.
Научную новизну имеют следующие положения, выносимые на защиту:
-
Термодинамическая модель, описывающая энергетические процессы, происходящие в системах стабилизации температуры НВ во впускном тракте комбинированного двигателя после компрессора и ОГ в выпускном тракте ПДВС перед КН.
-
Способ определения температуры НВ, при котором обеспечивается получение достаточно высоких эффективных показателей рабочего процесса дизеля в сочетании с умеренными механическими и тепловыми нагрузками на узлы и детали двигателя при работе на неустановившихся режимах, режимах длительных больших, малых нагрузок и холостого хода.
-
Понятие «интегральный коэффициент эффективности нейтрализации», суммарно учитывающий результаты изменения степеней превращения токсичных веществ в ОГ ПДВС после их прохождения через КН и способ определения температуры ОГ, при которой обеспечивается максимальное значение интегрального коэффициента эффективности нейтрализации токсичных веществ, содержащихся в ОГ.
-
Оценка работоспособности ОГ ПДВС, газов, уходящих из КН и ПС, выбрасываемых в атмосферу теплогенерирующими установками и рассматриваемых в качестве источника энергии для привода утилизационной установки.
-
Основные положения системно-термодинамического подхода к изучению энергетических процессов в установках двухуровневого использования теплоты, включающих теплогенерирующие установки мобильной техники в качестве высокопотенциального преобразователя теплоты и утилизационную СЭУ как преобразователь теплоты с меньшим термическим потенциалом; сформулированы принципы качественной оценки эффективности элементов названных установок с наибольшей возможной полнотой и отчетливостью позволяющие установить причины существования «узких мест» исследуемой технической системы, их происхождение и физическую природу.
Практическая ценность работы состоит в достигнутых результатах при создании, реализации и исследовании технических систем, обеспечивающих:
-
повышение эффективности наддува ПДВС путем стабилизации температуры свежего заряда;
-
улучшение экологических показателей ПДВС путем стабилизации температуры процессов в КН на оптимальном уровне;
-
повышение мощностных, экономических и улучшение экологических показателей ПДВС путем стабилизации температуры процесса передачи теплоты к рабочему телу утилизационной установки и процессов в КН;
-
обеспечение электрической автономности теплогенерирующих установок с целью облегчения пуска поршневых ДВС в условиях низких температур окружающей среды.
Новизна предложенных технических решений подтверждена восемью Патентами на полезную модель.
Результаты исследования могут быть использованы при создании новых и модернизации существующих ПДВС и комбинированных двигателей, предпусковых подогревателей и отопителей, при проведении НИР и ОКР, а также в учебном процессе.
Реализация результатов работы. Материалы диссертации используются и внедрены: в ОАО «КамАЗ»; ОАО «Шадринский автоагрегатный завод»; НПК «Агродизель» (г. Москва); НИИИ 21 МО РФ (г. Бронницы); Челябинском высшем военном автомобильном командно-инженерном училище (военном институте).
Апробация работы. Материалы диссертации были доложены и одобрены:
-
на XII, XIV и XV международных конгрессах двигателестроителей (Харьков-Рыбачье, 2007, 2009, 2010); IV международном технологическом конгрессе «Военная техника, вооружение и современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения» (Омск, 2007); Международной научно-технической конференции «Улучшение эксплуатационных показателей автомобилей, тракторов и двигателей» (Санкт-Петербург, 2008); II съезде инженеров Сибири (Омск, 2008); Международной научной конференции «Многоцелевые гусеничные и колесные машины: актуальные проблемы и пути их решения» (Челябинск, 2008); Международных Форумах по проблемам науки, техники и образования (Москва, 2008, 2009); XLVIII Международной научно- техническая конференции «Достижения науки агропромышленному производству» (Челябинск, 2009); Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития Евроазиатских транспортных систем» (Челябинск, 2009); Международной научно-технической конференции «Проблемы эксплуатации и обслуживания технологических машин» (Тюмень, 2009);
-
Всероссийской научно-практическая конференции с международным участием «Приоритетные направления науки и техники, прорывные и критические технологии: энергетические, экологические и технологические проблемы экономики (ЭЭТПЭ-2007)» (Барнаул, 2007); Второй всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Энергетические, экологические и технологические проблемы экономики» (Барнаул, 2008); IV Всероссийской научно-техническая конференции «Политранспортные системы» (Новосибирск, 2009); XIII Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы: «Фундаментальные исследования и инновации в технических университетах» (Санкт-Петербург, 2009);
-
IV Межрегиональной научно-практической конференции «Многоцелевые гусеничные и колесные машины: разработка, производство, модернизация, эксплуатация, боевая эффективность, наука и образование «Броня 2008» (Омск, 2008), Межрегиональной научно-технической конференции с международным участием «Повышение эффективности многоцелевых колесных и гусеничных машин» (Челябинск, 2010);
-
Юбилейной научно-технической конференции, посвященная 40-летию кафедры двигателей ЧВВАКИУ «Повышение эффективности силовых установок колесных и гусеничных машин» (г. Челябинск, 2008); на научно-методических семинарах с участием сотрудников кафедр двигателей, ремонта и эксплуатации военной автомобильной техники Челябинского высшего военного автомобильного командно-инженерного училища (Челябинск, 2004-2010); заседаниях НТС ОАО «НИИ автотракторной техники» (г. Челябинск, 2004-2011); научных семинарах НТС НПК «Агродизель» (г. Москва, 2005, 2006, 20082010).
Публикации. По теме диссертации опубликованы две монографии, 55 научных статей, в том числе 15 - в изданиях, рекомендованных ВАК, и получено девять патентов на полезную модель.
Объем и содержание работы. Диссертация содержит 395 с., включающих 157 рисунков, 47 таблиц и состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы (302 наименования) и приложения.
Похожие диссертации на Повышение эффективности поршневых двигателей внутреннего сгорания путем использования тепловых аккумуляторов энергии
