Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Утилизация теплоты и снижение токсичности отработавших газов двигателей мобильной техники 14
1.1. Утилизация теплоты отработавших газов в поршневых и комбинированных двигателях внутреннего сгорания ..16
1.1.1. Паросиловые установки 20
1.1.2. Термоэлектрические генераторы 23
1.1.3. Двигатели Стирлинга 24
1.1.4 Воздушные расширительные машины 26
1.2. Снижение вредных выбросов с отработавшими газами поршневых ДВС 29
1.3. Комплексное решение проблемы утилизации теплоты
и снижения токсичности отработавших газов поршневых ДВС 31
1.3.1. Каталитический нейтрализатор, совмещенный с утилизационным двигателем Стирлинга 31
1.3.2. Поршневые двигатели с внутренним парообразованием 34
1.4. Влияние режима работы поршневых и комбинированных ДВС на эффективность утилизации тепловых потерь с их отработавшими газами и эффективность нейтрализации содержащихся в них вредных веществ 35
1.5. Тепловые аккумуляторы 39
1.5.1. Теплоаккумулирующие материалы 40
1.5.2. Конструкции накопителей теплоты 45
1.6. Цель и задачи исследования 48
Глава 2. Физическая, термодинамическая и математическая модели процессов в выпускной системе ДВС, оборудованной демпфером колебаний температуры отработавших газов 50
2.1. Физическая модель процессов в выпускной системе ДВС, оборудованной демпфером колебаний температуры отработавших газов 50
2.1.1. Структура энергии потока отработавших газов, выходящих из поршневого ДВС 50
2.1.2. Структура энергии потока отработавших газов при прохождении их через демпфер колебаний температуры 53
2.2. Термодинамика процессов теплообмена в демпфере колебаний температуры отработавших газов 58
2.3. Математическая модель процесса теплообмена в демпфере колебаний температуры с фазовым переходом 61
Глава 3. Результаты исследования демпфера колебаний температуры отработавших газов 82
3.1. Экспериментальная установка и методика исследования
3.1.1. Экспериментальная установка 82
3.1.2. Методика исследования 85
3.1.3. Оценка погрешности измерений 88
3.2. Результаты экспериментального исследования демпфера колебаний температуры отработавших газов 95
3.2.1. Оценка адекватности математической модели демпфера колебаний температуры отработавших газов 95
3.2.2. Влияние различных факторов на демпфирование колебаний температуры и энергетические показатели отработавших газов 97
3.2.2.1. Влияние материала теплоаккумулирующего вещества 97
3.2.2.2. Влияние материала стенок трубок демпфера колебаний температуры отработавших газов 105
3.2.2.3. Влияние диаметра трубок демпфера колебаний температуры отработавших газов 108
3.2.2.4. Влияние толщины стенок трубок демпфера колебаний температуры отработавших газов 110
3.2.2.5. Влияние длины трубок демпфера колебаний температуры отработавших газов 112
3.2.2.6. Определение геометрических параметров демпфера колебаний температуры отработавших газов для работы в утилизационной системе дизеля КамАЗ-740 и бензинового двигателя УМЗ-417 114
Глава 4. Оценка влияния демпфирования колебаний температуры отработавших газов поршневого ДВС на эффективность работы систем утилизации их теплоты и снижения их токсичности 116
4.1. Оценка влияния демпфирования колебаний температуры на эффективность утилизации теплоты отработавших газов поршневых ДВС 116
4.1.1. Влияние демпфирования колебаний температуры отработавших газов на эффективность работы утилизационного поршневого двигателя с внутренним объемным парообразованием 116
4.1.2. Оценка влияния демпфирования колебаний температуры отработавших газов поршневого ДВС на эффективность работы утилизационного двигателя Стирлинга 129
4.2. Оценка влияния демпфирования колебаний температуры отработавших газов поршневого ДВС на эффективность работы каталитического нейтрализатора 136
Заключение 144
Использованная литературы 147
Приложения 160
- Каталитический нейтрализатор, совмещенный с утилизационным двигателем Стирлинга
- Структура энергии потока отработавших газов при прохождении их через демпфер колебаний температуры
- Влияние толщины стенок трубок демпфера колебаний температуры отработавших газов
- Оценка влияния демпфирования колебаний температуры отработавших газов поршневого ДВС на эффективность работы утилизационного двигателя Стирлинга
Введение к работе
В настоящее время со всей остротой встают проблемы грядущего истощения природных ископаемых энергоресурсов, в первую очередь, нефти, и угрожающего экологической катастрофой загрязнения окружающей среды отходами многообразной деятельности человека.
Одним из путей снижения потребления нефтепродуктов поршневыми ДВС является использование теплоты их отработавших газов для получения дополнительной механической работы. Известно, что с отработавшими газами поршневых ДВС выбрасывается в атмосферу 25-45 % энергии, полученной в результате термохимических реакций горения топлива.
Термодинамические показатели современных поршневых ДВС близки к предельно возможному уровню, и значительного повышения их КПД за счет совершенствования процессов смесеобразования, горения, газообмена и использования новых конструкционных материалов не представляется возможным. В тоже время, большие потери энергии с отработавшими газами свидетельствуют и о значительных возможностях повышения показателей двигателей в случае ее использования.
Дополнительная работа за счет использования энергии отработавших газов поршневых ДВС может быть получена путем добавления к силовым установкам утилизационных систем на базе двигателей Стирлинга, паровых двигателей, газовых турбин, термоэлектрогенераторов, воздушных расширительных машин и т. п.
В ходе ранее проведенных исследований установлено, что эффективность действия утилизационных систем в большой степени зависит от температуры отработавших газов, поступающих к утилизационным двигателям, которая существенно меняется при функционировании поршневых ДВС [22, 33, 44, 45,47,48,50,55,64].
Под эффективностью утилизационных систем следует понимать получение с их помощью дополнительной механической работы за счет использования теплоты отработавших газов ДВС.
Рассматривая действие установок по снижению токсичности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания, наиболее эффективными из которых являются установки на базе каталитических нейтрализаторов, следует отметить, что на их действие также в значительной степени влияет температура ОГ, поступающих в них [26, 68, 73,74]
Из приведенных фактов следует, что существует прямая зависимость работоспособности утилизационных систем и систем снижения токсичности отработавших газов от величины и стабильности их температуры при поступлении к утилизационным двигателям.
В то же время температура отработавших газов поршневых ДВС меняется в широком диапазоне в зависимости от режима работы двигателей. Так, исследованиями установлено [32], что температура отработавших газов дизеля КамАЗ-740 на различных режимах работы изменялась от 80 до 650°С.
Уменьшить колебания температуры отработавших газов возможно с помощью устройств, содержащих теплоаккумулирующие материалы (ТАМ), которые могут быть названы демпферами колебаний температуры отработавших газов (ДКТ ОГ).
Цель исследования - повысить эффективность систем утилизации теплоты и нейтрализации отработавших газов поршневых ДВС за счет демпфирования колебаний их температуры
Достижение поставленной цели предопределило постановку следующих задач.
Задачи исследования.
1. Разработать физическую и термодинамическую модели и провести исследования структуры энергетических потоков и термодинамики процессов
энергообмена в демпфере колебаний температуры отработавших газов поршневых ДВС.
2. Разработать математическую модель энергетических процессов, происходящих в демпфере колебаний температуры отработавших газов, установленном в выпускной системе поршневых ДВС для выбора его рациональных конструктивных параметров и ТАМ, обеспечивающих демпфирование температуры отработавших газов в требуемом диапозоне для их утилизации и нейтрализации в целях повышения эффективности их работы.
3. Провести экспериментальные исследования с целью проверки адекватности предлагаемой физико-математической модели процессов в демпфере колебаний температуры отработавших газов.
4. Исследовать с помощью созданной математической модели влияние на демпфирование температуры ОГ факторов, определяющих процесс, происходящий в демпфере колебаний температуры отработавших газов.
5. Оценить эффект от демпфирования колебаний температуры потока отработавших газов поршневого ДВС на примере работы утилизационных систем и каталитического нейтрализатора.
Предметом исследования служили термодинамические процессы, происходящие в демпфере колебаний температуры отработавших газов, и их влияние на эффективность систем утилизации теплоты и нейтрализации ОГ поршневых ДВС.
Объектом исследования являлись технические системы, включающие в себя генератор теплоты, демпфер колебаний температуры отработавших газов, утилизационный двигатель и каталитический нейтрализатор.
Объективность и достоверность результатов исследования базируется на применении комплекса современных информативных и объективных методов исследования, подборе измерительной аппаратуры, подвергающейся систематической поверке и контролю погрешностей, выполнении требований соответствующих стандартов и руководящих технических документов на испыта ния и корректной статистической обработке экспериментальных данных с использованием ЭВМ. Научные положения и выводы проверены и подтверждены результатами, полученными в ходе экспериментов.
Методика исследования основывалась на использовании положений системного подхода, термодинамического метода эксергетического анализа, математического планирования многофакторного эксперимента и компьютерного моделирования, а также статистической обработки результатов на персональном компьютере. Характер работы - теоретико-экспериментальный. В исследованиях была использована современная измерительная и вычислительная аппаратура. Научные выводы и рекомендации сформулированы на основе натурного и модельного экспериментальных исследований технической системы, состоящей из генератора теплоты, демпфера колебаний температуры отработавших газов и измерительной аппаратуры.
Научная новизна исследования заключается в следующих положениях: с использованием эксергетического метода на базе физической и термодинамической моделей энергетических процессов, происходящих в демпфере колебаний температуры отработавших газов поршневого ДВС, устанавливаемом в его выпускной системе, разработана математическая модель, позволяющая определять его рациональные конструктивные параметры и режимы работы, обеспечивающие демпфирование колебаний температуры отработавших газов в требуемом диапазоне для их эффективной утилизации и нейтрализации; выдвинута и экспериментально подтверждена гипотеза о возможности повышения эффективной мощности дизеля и снижения содержания в выбросах оксида углерода и углеводорода путем использования демпфера колебаний температуры отработавших газов в системе выпуска дизеля, оборудованного утилизационным поршневым двигателем с внутренним объемным парообразованием; установлены закономерности влияния теплоаккумулирующих материалов, конструктивных особенностей трубок демпфера и материалов, из которых они изготовлены, на демпфирование колебаний температуры отработавших газов.
Практическая ценность работы состоит в том, что использование созданной математической модели позволяет на стадии проектирования определить основные параметры демпфера колебаний температуры ОГ для последующей установки их в системы утилизации и нейтрализации ОГ поршневого ДВС, а также в том, что использование ДКТ в системе выпуска дизеля КамАЗ-740, оборудованного утилизатором теплоты ОГ, позволяет повысить эффективную мощность на 2,8 кВт, а часовой расход топлива снизился на 0,7 кг/ч. При этом происходит снижение концентрации СО и СН в ОГ на 18% и 15% соответственно. Материалы диссертации могут найти применение в научно-исследовательских и проектно-конструкторских организациях и на предприятиях, занимающихся созданием когенерационных систем на базе поршневых ДВС и снижением токсичности их отработавших газов.
Реализация результатов работы. При выполнении научно-исследовательских работ в 21 НИИИ AT МО РФ использованы следующие научные результаты диссертационной работы: данные по влиянию уменьшения амплитуды колебаний температуры отработавших газов поршневых ДВС на повышение эффективности работы утилизационных установок, методика определения конструктивных параметров демпфера колебаний температуры отработавших газов для его использования в утилизационных системах различных поршневых ДВС; закономерности влияния химического состава теплоаккуму-лирующего материала демпфера колебаний температуры отработавших газов, а также геометрических размеров его трубок на уменьшение амплитуды колебаний температуры газов.
Научно-производственным предприятием «Агродизель» (г. Москва) в ряде научно-исследовательских работ использованы: методика расчета основных конструктивных параметров демпфера колебаний температуры для различных
поршневых ДВС; закономерности влияния уменьшения амплитуды колебаний температуры отработавших газов на повышение мощностных показателей утилизационных двигателей; влияние размещения в системе выпуска демпфера колебаний температуры отработавших газов на снижение их токсичности.
Результаты исследований используются при выполнении курсовых и дипломных работ, при чтении отдельных разделов лекций в Челябинском высшем военном автомобильном командно-инженерном училище (военном институте).
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), на Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы теории и практики современного двигателестроения» (Челябинск: ЮУрГУ, 2003), на научно - технической конференции «Современные тенденции развития военной техники и вооружений» (Омск, 2003), на научно- технической конференции «Развитие оборонно-промышленного комплекса на современном этапе» (Омск, 2003). в рамках международных научно-технических конференций «Достижения науки -агроинженерному производству» (Челябинск: ЧГАУ, 2003 - 2005 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 9 печатных работ, получены 2 патента на полезные модели. Диссертация содержит 159 страниц машинописного текста, включающего 72 рисунка, 16 таблиц и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 117 наименований и приложений.
Каталитический нейтрализатор, совмещенный с утилизационным двигателем Стирлинга
Последнее, четвертое направление заключается в обезвреживании вышедших из цилиндра продуктов сгорания при помощи специальных устройств - нейтрализаторов, встроенных в выпускную систему двигателя и применяемых как дополнительное оборудование. Такие системы позволяют без значительных изменений в конструкции двигателя существенно снизить выбросы вредных веществ.
Учитывая, что практически все конструктивные решения, направленные на уменьшение вредных выбросов, приводят к снижению топливной экономичности, наиболее перспективным и целесообразным на современным этапе можно считать внедрение в практику специальных устройств - нейтрализаторов ОГ в сочетании с регулировками по токсичности.
Устанавливаемые в выхлопных трактах автомобилей нейтрализаторы снизили суммарный выброс токсичных веществ, например в США, с 76 в 1980 г. до 55 млн. тв 1985 г. Нейтрализаторами в этой стране оборудованы более 85 % автомобилей [7].
Различают три метода нейтрализации: термическую, жидкостную и каталитическую. Первый метод целесообразно сочетать с фильтрацией твердых частиц (сажи) [27].
Основываясь на анализе патентного фонда и литературы по данной тематике, а так же учитывая необходимость решения проблемы экологической безопасности уже созданных и используемых ПДВС, можно сделать вывод о том, что наиболее целесообразно для решения конкретной проблемы использование малотоксичных регулировок токсичности и каталитических нейтрализаторов на основе платины, палладия и окислов ванадия. Именно эти каталитические нейтрализаторы (КН), при выполнении условия работы в диапазоне температур ОГ от 300 до 700 С, в настоящее время наиболее перспективны [75].
В работах [8,9] в качестве системы снижения токсичности при одновременном повышении мощностных и экономических показателей использован КН, совмещенный с утилизатором - двигателем Стирлинга. Устройство этой системы поясняется рис. 1.10, где изображен продольный разрез по оси катализатора. Утилизационная установка включает в себя утилизационный двигатель Стерлинга, совмещенный с электрическим генератором, и нагнетатель воздуха в нейтрализатор с электроприводом [8, 9]. Нагреватель утилизационного стирлинга устанавливается в патрубок нейтрализатора со стороны восстановительного блока. Генератор, совмещенный с ДС, питает электрический привод нагнетателя воздуха 10. Нагнетатель подает воздух через патрубок в окислительный блок нейтрализатора (см. рис. 1.10). Несколько иное конструктивное оформление рассмотренной идеи (рис. 1.11) предложено в работе [102]. Каталитический нейтрализатор с утилизацией теплоты ОГ работает следующим образом. Отработавшие газы от ПДВС поступают в корпус нейтрализатора через элементы входного патрубка в полость реактора, далее проходят через стенки пористого каталитического блока, где происходят реакции окисления продуктов неполного сгорания: углеводородов, оксида углерода и сажи, а также идет восстановление окислов азота. Окислительно-восстановительные процессы поддерживаются за счет высоких температур и соприкосновения газов с пористыми стенками каталитического блока окислительно-восстановительного типа. Кроме того, для поддержания окислительно-восстановительного процесса в реактор через воздушный патрубок нагнетателем с приводом подается воздух. Нагнетатель приводится в действие от электродвигателя, подключенного к генератору, совмещенному с двигателем Стирлинга. Использование такой установки позволяет снизить суммарную токсичность на Одновременное решение проблемы утилизации тепловых потерь с ОГ и снижение концентрации в них вредных веществ возможно при использовании поршневого двигателя, в цилиндр которого поступают ОГ ДВС, сжимаются и в них впрыскивается вода (рис. 1.12) [56, 58, 84, 86]. Расчеты показывают, что температура в конце сжатия может достигать 1500 С и более. Распыленная в объеме внутрицилиндрового пространства вода в этих условиях интенсивно испаряется, рабочее тело расширяется, производя полезную работу. В результате увеличивается общая мощность силовой установки (включающей ДВС и утилизационный двигатель), снижается удельный расход топлива и вредное воздействие ДВС на окружающую среду. Так, на дизеле КамАЗ-740, оборудованном таким УД эффективная мощность увеличилась на различных частотах вращения коленчатого вала в среднем на 50,9 %, а часовой расход топлива снизился на 7,8 кг/ч [43] Большое количество подобных утилизационных систем было предложено и изготовлено учеными кафедры двигателей Челябинского военного автомобильного института [87, 88, 89, 90 и др.]. на эффективность утилизации тепловых «потерь» с их отработавшими газами и эффективность нейтрализации содержащихся в них вредных веществ Известно, что большую часть времени силовые установки мобильной техники работают на переменных скоростных и нагрузочных режимах. Абсолютное значение энергии, уходящей из цилиндров с ОГ и их температура существенно зависят от режима работы ПДВС. В работе [33] исследовано содержание теплоты в отработавших газах дизеля КамАЗ при его работе на различных режимах.
Совершенно очевидно, что эффективность работы любой из рассмотренных выше систем утилизации или нейтрализации вредных выбросов с ОГ будет существенно меняться, так как она в первую очередь определяется количеством теплоты, приводящей в действие данную утилизационную систему, или температурой процесса нейтрализации в КН. Отмеченное обстоятельство является серьезной проблемой, тормозящей развитие утилизационных систем на объектах мобильной техники, двигатели которой работают на непрерывно изменяющихся режимах.
Иллюстрацией сказанного могут служить приведенные ниже примеры. На рис. 1.13 показаны зависимости термо-ЭДС и КПД термоэлементов от разности температур на их спаях [23]. Учитывая, что температура «холодных» спаев это температура окружающей среды, то приведенные графики практически отражают влияние температуры источника теплоты - отработавших газов.
Структура энергии потока отработавших газов при прохождении их через демпфер колебаний температуры
Применение различных ТАМ требует разработки конструктивных решений, направленных на максимальное использование положительных качеств этих материалов и нейтрализацию их недостатков [66]. При разработке реальных ДКТ, наряду с выбором материала, одной из важнейших является проблема теплопередачи между рабочим телом и теплоносителем.
Различают два способа реализации теплообмена между указанными средами: пассивный и активный [66]. При пассивном способе теплообмен осуществляется через теплообменную поверхность. Основным типом устройств, реализующих данный способ, являются кожухотрубные накопители, в которых теплоноситель движется по трубкам, а ТАМ находится в межтрубном пространстве.
Указанные устройства аналогичны обычным рекуперативным теплообменникам, поэтому задача интенсификации теплообмена в них может решаться во многом традиционными в теплообменной технике способами, сводящимися, в конечном счете, к развитию поверхности теплообмена. В качестве примеров можно назвать оребрение, которое повышает эффективный коэффициент теплопередачи [1, 94 и др.], выполнение теплопередающей трубки в виде змеевика с большим количеством витков. Следует иметь в виду, что при этом возрастает стоимость демпфера колебаний температуры. Расположение ТАМ в межтрубном пространстве кожухотрубного теплообменника обеспечивает рациональное использование внутреннего объема ДКТ и применение традиционной технологии изготовления теплообменных аппаратов.
Камимото и Тани [111] исследовали эффективность теплопередачи и ореб-рения в кожухотрубном теплообменнике. Оребрение увеличивает количество передаваемой теплоты и значительно улучшает эффективность теплопередачи. Обеспечение динамических характеристик теплообменника зависит от прочностных ограничений и шага трубок в нем. Однако, при такой конструкции теплообменника затруднено обеспечение свободного расширения ТАМ, вследствие чего понижена надежность ДКТ.
Пассивный теплообмен может быть реализован в устройствах, так называемого, капсульного типа (рис. 1.1,6). В этом случае ТАМ, помещенный в капсулы (цилиндрические прутки, гранулы, полые цилиндры) размещается в корпусе ДКТ, в котором обеспечивается циркуляция теплоносителя.
Размещение ТАМ в капсулах обеспечивает высокую надежность конструкции, позволяет создавать развитую поверхность теплообмена, компенсировать (при использовании гибких капсул) изменения объема в процессе фазовых переходов. Однако, вследствие относительно низкой теплопроводности ТАМ, необходимо большое число капсул малого размера, что приводит к большой трудоемкости изготовления ДКТ, недостаточно рациональному использованию объема (для цилиндрических капсул). Особенно целесообразно применение капсульных ДКТ в случаях малых тепловых потоков.
Сравнение ДКТ различных конструкций показывает, что в кожухотрубных аппаратах коэффициент теплопередачи, как правило, выше, но, по совокупности всех качеств однозначный вывод о предпочтительности того или иного типа ДКТ затруднителен. По мнению ряда авторов [38, 74, 94] необходим учет конкретных условий изготовления и эксплуатации.
В качестве примера использования накопителя теплоты капсульного типа можно привести накопитель тепла для опытного двигателя Стирлинга фирмы "Филипс" [114, 116 и др.]. Основным недостатком пассивного теплообмена является значительное ухудшение теплообмена при разрядке ДКТ, возникающее вследствие осаждения на теплопередающей поверхности твердой фазы. С целью максимального снижения термического сопротивления твердой фазы используют метод активного теплообмена, при котором принудительно предотвращается прилипание твердой фазы. В настоящее время предложено несколько вариантов метода активного теплообмена. Все они могут быть разделены на четыре основные группы: 1. Методы, при которых твердая фаза механически удаляется, например, соскабливается с теплопередающей поверхности (рис. 1.17 а). 2. Методы, при которых осуществляется перемешивание рабочего тела путем продувки газа или вибрации (рис. 1.17 6). 3. Методы принудительной циркуляции теплоаккумулирующего вещества. 4. Методы непосредственного контактного теплообмена ТАМ с теплоносителем. Примерами реализации перечисленных направлений могут служить высокопотенциальные (250-350 С) накопители теплоты, разработанные фирмами "Хонейвел" и "Грумман". Они предназначены для сглаживания нагрузки на тепловую гелиоэлектростанцию. В качестве теплоносителя используется пар или вода, а в качестве ТАМ - NaN03-NaON, эвтектическая смесь солей и др. Анализ существующих конструкций ДКТ показал, что большинство созданных в настоящее время устройств работают по принципу пассивного теплообмена. 1.6. Цель и задачи исследования Приведенные выше материалы убедительно свидетельствуют о больших «потерях» энергии, которыми сопровождается работа силовых установок мобильной техники. Эту энергию можно и нужно утилизировать. Весьма важным направлением при утилизации «потерь» энергии является использование ее для выработки дополнительной работы. Существует целый ряд технических систем, которые могут быть использованы в указанных целях. Однако, эффективность систем, утилизирующих теплоту ОГ поршневых и комбинированных ДВС, существенно зависит от температуры продуктов сгорания, выходящих из их цилиндров, и направляющихся в утилизатор. Температура же эта существенно изменяется в процессе работы двигателей мобильной техники на различных режимах, что снижает эффективность утилизации теплоты ОГ. Изменение температуры ОГ существенно влияет и на эффективность процессов очистки ОГ от вредных веществ в КН, которые в настоящее время наиболее широко применяются для снижения токсичности выхлопных газов силовых установок мобильной техники. Демпфировать колебания температуры ОГ ПДВС перед попаданием их в утилизационные системы и КН и тем самым повысить эффективность этих систем, можно используя принцип аккумулирования теплоты. Цель настоящего исследования - повысить эффективность систем утилизации теплоты и нейтрализации отработавших газов поршневых ДВС за счет демпфирования колебаний их температуры
Влияние толщины стенок трубок демпфера колебаний температуры отработавших газов
Влияние суммарной длины трубок ДКТ на средние значения температуры ТАМ, температуры и энергетических показателей ОГ показано на рис. 3.27-3.29. В ходе рассматриваемого этапа эксперимента сохранялись неизменными: теплоаккумулирующий материал (TiNO;,); внутренний диаметр (6 мм), материал стенки (сталь 12Х17Т) и ее толщина (0,5 мм)); расход ОГ (0,12 кг/с), а также масса теплоаккумулирующего материала (3,5 кг). Температуру ОГ на входе, как и на предыдущих этапах эксперимента, изменяли линейно от минимума (485 К) до максимума (925 К) и обратно. Продолжительность одного цикла составляла 40 с. Начальная температура ТАМ была принята равной 288 К.
Рассматриваемые показатели увеличивались в функции суммарной длины трубок строго линейно, что вполне понятно, так как чем больше эта длина, больше теплопередающая поверхность. По-видимому, эта же причина стала фактором, вызвавшим уменьшение колебания температуры теплоаккумулирующего материала и отработавших газов на выходе из демпфера колебаний температуры в зависимости от суммарной длины трубок (рис. 3.28). Линейное повышение средней температуры ОГ на выходе из ДКТ обеспечило и соответствующее увеличение средних значений потоков теплоты и эксергии отработавших газов на выходе из демпфера колебаний температуры (рис. 3.29). Определение геометрических параметров демпфера колебаний температуры отработавших газов для работы в утилизационной системе дизеля КамЛЗ-740 и бензинового двигателя УМЗ-417 Как показали приведенные выше материалы, каждый из рассмотренных выше параметров (факторов) ДКТ оказывает свое специфическое влияние на показатели выходящих из него ОГ. Используя разработанную во второй главе математическую модель, можно определить геометрические параметры ДКТ (внутренний диаметр, толщину и суммарную длину трубок), обеспечивающие достижение максимальных средних значений температуры ОГ и, соответственно, их энергетических показателей на выходе из демпфера колебаний температуры. Ниже приводятся результаты расчетов при заданных: теплоаккумули-рующем материале (L1NO3) и его массе (3,5 кг), а также материале стенок (сталь 12Х17Т). Расход ОГ принимали равным 0, 37 кг/с (что соответствует расходу ОГ дизеля КамАЗ-740 при работе на номинальном скоростном режиме) и 0,12 кг/с (что соответствует расходу ОГ двигателя УМЗ-417 при работе на номинальном скоростном режиме). Температуру ОГ на входе в ДКТ изменяли линейно от минимума (485 К) до максимума (925 К) и обратно. Продолжительность одного цикла составляла 40 с. Начальная температура ТАМ была принята равной 288 Выходными параметрами расчета служили: внутренний диаметр, толщина и суммарная длина трубок ДКТ. Исследования показали, что утилизация теплоты ОГ с помощью такого двигателя позволяет повысить не только мощностные, но и экономические показатели силовой установки, а также существенно снизить дымность и токсичность ОГ [43, 59 и др.]. Работает УД следующим образом. В момент, когда при движении поршня от ВМТ к НМТ его верхняя кромка начнет открывать впускное окно, горячие ОГ дизеля попадают в цилиндр. При обратном движении поршня происходит сжатие поступивших в цилиндр ОГ дизеля. В ходе сжатия их температура существенно повышается. При приближении поршня к ВМТ через форсунку в цилиндр впрыскивается вода. Происходит интенсивное парообразование. Пар, перегреваясь, расширяется, производя работу. Как только поршень начнет открывать выпускное окно, рабочее тело будет выходить из цилиндра. Затем описанный рабочий цикл повторяется.
На кафедре двигателей была создана экспериментальная установка в состав которой вошли: дизель КамАЗ-740; УС, включающая утилизационный поршневой двигатель с внутренним объемным парообразованием; испытательный стенд DS-1036-4/N с измерительной аппаратурой; приборы для определения мощ-ностных, экономических показателей дизеля и УД, дымности и токсичности ОГ.
Для определения влияния введения ДКТ ОГ в выпускную систему дизеля КамАЗ-740 на мощностные, экономические и экологические показатели СУ были использованы данные по распределению нагрузок дизеля КамАЗ-740 при работе в условиях городской эксплуатации [76] (рис. 4.2). Схема последовательности изменения режимов работы двигателя при проведении экспериментов показана на рис. 4.3. Изменение температуры ОГ определялась в течение шести таких циклов.
Оценка влияния демпфирования колебаний температуры отработавших газов поршневого ДВС на эффективность работы утилизационного двигателя Стирлинга
Не анализируя детально изменения токсичности ОГ при работе двигателя на различных режимах (которые достаточно хорошо видны по гистограммам) отметим, что применение в системе выпуска ТА позволило повысить эффективность работы КН при движении автомобиля по рассматриваемому ездовому циклу на 4,36 % по СО и на 2, 86 % по СН.
Важно отметить, что на режимах полной нагрузки (ускорениях) температура ОГ на выходе из КН достигает 1005 С, что представляет опасность с точки зрения работоспособности КН. Введение в выпускную систему ТА, установленного перед нейтрализатором снизило эту температуру более чем на 200 С и исключило проблему быстрого выхода КН из строя.
Следующий этап испытаний, начинали после пуска холодного двигателя. Характерно, что при работе автомобиля с комплектацией ТА плюс КН время выхода нейтрализатора на номинальный режим составило: при холодном пуске (температура ТА равна температуре окружающей среды) - 9,5 мин, при прогретом ТА (пуск через 2 часа после остановки двигателя при температуре ТА-265К)- 1,5 мин.
На рис. 4.15 показаны результаты, полученные при испытаниях по ездовому циклу после четырех часов стоянки автомобиля в трех комплектациях: без КН и ТА, с КН и при наличии в выпускной системе еще не остывшего ТА и КН.
Как видно, значения концентрации СО и СН при работе двигателя без КН и ТА значительно выше по сравнению с рассмотренным выше вариантом. Причинами этого были пуск холодного двигателя и его достаточно длительный прогрев. Худшие показатели по токсичности характерны и в случае работы двигателя с КН, так как время выхода его на номинальный режим работы составило 320 с.
Использование в выпускной системе ТА позволила после двух часов стоянки автомобиля обеспечить на начало цикла 45 % уровень очистки ОГ от СО и СН Четырехчасовая стоянка перед испытаниями позволила повысить эффективность очистки по СО на 20,7 %, по СН - на 13,9 %. На рис. 4.16 показано изменение температуры ОГ на входе в ТА (1) и входе в КН (2) в процессе испытаний автомобиля УАЗ-3151 по 11-километровому ездовому циклу в работе [73]. Кривая 3 иллюстрирует полученные с использованием разработанной во второй главе математической модели значения температуры ОГ на входе в КН в случае применения предложенной в третьей главе конструкции ДКТ при тех же условиях испытаний. Проведенные исследования и полученные при этом факты позволяют сделать вывод о том, что дальнейшее повышение эффективности утилизации и нейтрализации отработавших газов поршневых ДВС за счет демпфирования колебаний их температуры перед поступлением в утилизационные и нейтрализацион-ные установки. Можно полагать, что демпфирование температуры отработавших газов будет полезно и при газотурбинном наддуве в комбинированных двигателях, так, как это позволит практически стабилизировать перепад энтальпии на колесе турбины при неустановившихся режимах работы двигателя. 1. На основе эксергетического метода проведен анализ структуры энергетических потоков и термодинамики процессов теплообмена в демпфере колебаний температуры отработавших газов поршневых ДВС, в соответствии с ним разработана и реализована в интегрированном пакете MathCad математическая модель, позволяющая (с достоверностью не менее 95 %) исследовать влияние свойств теплоаккумулирующего материала и конструктивных параметров демпфера колебаний на сглаживание температуры выходящих из него газов и их энергетические показатели. 2. Вычислительным экспериментом установлено прямо пропорциональное влияние диаметра трубок на температуру теплоаккумулирующего материала, отработавших газов, их эксергию: чем больше диаметр трубок, тем ниже колебания температуры газов на выходе из демпфера колебаний температуры. Увеличение толщины стенки трубок вызывает снижение средней температуры теплоаккумулирующего материала и отработавших газов на выходе из демпфера колебаний температуры и эксергии отработавших газов. Изменение длины трубок демпфера колебаний температуры в сторону увеличения приводит к повышению средних значений температуры теплоаккумулирующего материала и отработавших газов, повышению энергетических показателей потока отработавших газов на выходе из демпфера колебаний температуры и снижает амплитуду колебаний температуры отработавших газов. Установлено, что наибольший демпфирующий эффект (степень демпфирования 0,72), наиболее высокую среднюю температуру и энергетические характеристики отработавших газов на выходе из демпфера колебаний среди исследованных четырех теплоаккумули-рующих материалов обеспечивает применение тройной эвтектической смеси и использование в качестве материала трубок алюминиевого сплава А1 25. 3. Рассчитаны конструктивные характеристики и подобран теплоаккуму-лирующий материал демпферов колебаний температуры отработавших газов, предназначенных для установки в выпускные тракты дизеля КамАЗ-740 и бензинового двигателя УМЗ-417 в случае оборудования их системами утилизации и нейтрализации отработавших газов.
