Термодинамические основы повышения топливной экономичности транспортных дизелей за счет утилизации сбросной теплоты Марченко, Андрей Петрович

Введение к работе

, АКТУАЛЬНОСТИ И СТЕПЕНЯ ЙССЛЕДОВАННОСТЯ ТЕМАТИКИ ДЙСШЧАЩН Из основных тенденций мирового развития двигателей внутреннего сгорания (ДВС) на первое место на Украине выдвигается повышение топливной экономичности, что обусловлено затруднениями с обеспечением моторним топливом so счет импорта. Среди новых подходов к проблеме снигения расхода топлива ДВС в последнее время большое внимание уделено разработке так называемых турбокомпаундных ДВС, т.е. двигателей с силовыми газовыми турбинами (СТ) и системами вторичного иеполъ-зования теплоты (ВИТ). О таких силовых установках (СУ) поп вились многочисленные публикации. Однако представлэннно г этих публикациях исследования затрагивают главным обрезса судовые и стационарные КДВС и не имеет единого термодинакз-чесного подхода, причем, цилиндр КДВС и системы утилизвцхш теплоты чаще всего рассматриваются независимо друг от друге. Крайне недостаточно данных об условиях эффективности турбокомпаундных двигателей наземного транспорта, мировой опыт двигателестроения, а такав наши исследования показывают, что существенно обостряются научные п прикладные проблэ-мы для таких СУ. В настоящее время в странах СНГ в облаете создания утилизационных контуров дизелей наземного транспорта накоплен лишь первоначальный теоретический опыт, отвутеї-вуст или носят фрагментарный характер данные по характеристикам совместной работы КДВС я систем ВИТ. Поэтому назрело настоятельная потребность в обобщении и систематизации суав-ствунаих наушых положений теории рабочих процессов турбо кокпаундных ДВС наземного транспорта на' основе категория 1-го и 2-го законов термодинамики, а тнкт в разработке соа-

ременной методология моделирования, анализа в оптимизации параметров этих двигателей, которая вхлвчвет совокупность методик теоретического в экспериментального исследования, обеспечивающих выбор рациональных конструктивных и термодинамических параметров, схемных решений СУ.

С учетом этого в представленной к защите диссертации разработаны термодинамические основы повышения топливное экономичности транспортных дизелей за счет утилизации сбросной теплота, предлоаены пути реализации этих теоретических положении в практику двягвтелвстроения, что при общей характеристике диссертационной работы позволяет ее квалифицировать как актуальную, направленную на решение крупной научно-технической проблемы, которая имеет важное прикладное значение.

Разработка термодинамических основ повышения топливной экономичности транспортных дизелей за счет утилизации сбросной теплоты является цель» исследования. Для ее достижения определены следующие основные задачи:

1. Разработка основ теории максимального теплоиспользо--ванвя в двигателях внутреннего сгорания.

2. Разработка методологии теоретического и экспериментального исследования комбинированных транспортных ДВС с системами утилизации теплоты, состоящей из комплекса методик моделирования,анализа х оптимизации турбокомпаундннх ДБС.ба-зирущихся как на известных полевениях теории, так в на новых научных положениях, органически сочетающих первый я второй законы термодинамики.

3. Ероведенне расчетно-аксперимвнтальногэ исследования турбожжпаунднъя ДВС я яяалиа основных влияющих факторов не'

.-5-

эффективность. КДВС с системой утилизации теплоты в зависимости от условий эксплуатации СУ. . „ .

4. Научное обобщение и выработка практических рекомендаций, обеспечивающих максимальное теплоиспользование в комбинированных ЛВС транспортных силовых у становой.

Теоретическая ценность диссертационной работы определяется новыми алгоритмами и методиками расчетно-эксперимен-тального исследования комбинированных ДВС (КДВС) с СТ. и системами ВИТ, научными обобщениями автора, выполненными на базе единого термодинамического подхода, рекомендациями по выбору и реализации путей совершенствования теплоиспользования дазедей. При атом практическая ценность диссертационной работы определяется результатами рапетно-зкеперимент'алыюго исследования КДВС с силовыми газовыми турбинами я системами ВИТ, комплексом методик и алгоритмов для проведения 'ЭТОГО исследования, которые в ходе выполнения хоздоговорных и госбюджетных НИР переданы к использованию в промышленности, отраслевых и академических институтах. В.работе:

1. Показана возможность, применения систем утилизации теплоты на автотракторных двигателях типа СМД (4ЧН12/14, 6ЧН13/11,5),тепловозных дизель-генераторах типа ТОДІ СО и ДВО (соответственно 10ДН20.7/2-25,4 и 164H2S/27), а также' на транспортном дизель-генераторе типа 16ЧН32/32, которые при утилизации теплоты ОГ на номинальном режиме позволяют уменьшить удельный эффективный расход топлива (^) на вели'пшу до 15 г/ (кВт.ч )., утилизации тешют отработавших газов (ОГ), ох-лаждавяей жидкости (ОЖ), промохлзждения воздуха - /.о 20-24 »- г/(кВТ.ч), причем, среднеэксплуятационкый расход топлива р

-,-6 -:-; уменшаєте* соответственно на з - 6 5 -8 г/(кВт.ч).

2. Обосновано, что рационально» систвмоЯ утялизвции су-довше дас типа ЩОО/50 каботажного и портового флота в условиях Крнма является сжетеиа, вхдшчащая тешюфикационный контур ж опреснжтельнуї) установку, позволяемая компенсировать около 30» затрат на топливо.

3. Разработаны в передави проиышленности схемные реше-яжя КДВС с сжетемамж утилизация вторичных энергоресурсов автотракторных, тепловозных ж судовых две, выбраны рациональные термодинамические ж конструктивные параметры систем утилизации вторичных энергоресурсов ЛВС.

4. Представлены результаты расчвтно-акспвримевтального ' исследования КДВС с силовыми газовыми турбинами я утилизационными циклами Ренкива. которые показали, что: '

1. Силовая газовая турбина ж система ВИГ при Н_ву -const позволяет разгрузить поршневой двигатель по среднему индикаторному давленню и для шесжофзрсированннх ДВС подучить снижение g^ не только 38 счет работы дополнительных систем, но и цилиндра ДВС;

2. Параметры рабочего процесса СТ, утилизационного цикла Ренхана я цилиндра ДВС имеют взаимную зависимость;

3. Вариатор,' примененный в турбокомпаундной схеме с СТ расширяет номенклатуру КДВС, для которой возможно использо-

- вание СТ, является важным - фактором повышения эффективности СУ, позволяющим дополнительно на 2-4 г/«сВт.ч> уменьшить среднвакеллуатационный риежод топлива по СУ, а также умень-жжть о 0,72-0,75 до примерно 0,70 минимальные значения КПД лопаточных машин, выв» которых применение СТ становится рацион nwii мим.

Б. Приведены результати иоследоманая' не двигателе

- 7 -16ЧН26/27 высокотемпературного охлаждения (ВТО),позволившие:

4. Получить качественные и количественные характеристики перераспределения при ВТО статей теплового баланса, параметров рабочего процесса, характеристик температурного со-стояния гильзы и крышки цилиндров.

5. Показать, что эффективное использование теплоты Ой комбинированного ЛВС в паросиловых циклах Ренхина возможно лишь при ВТО.

6. Обосновать возмояность работы двигателя 16ЧН26/27 при ВТО с температурами ОЖ на выходе из ДВС более 110 С.

6. Отмечено, что практическое значение имеет экспериментальные стенды и методики проведения яспытанпй, а текла методики теоретического исследования систем утилизации теплоты тепловозных, судовых и автотракторных ДВС.

Научнуо новизну исследования составляет: ,

1. Термодинамические основы: теории образцовых циклов
(ОЦ) тепловых двигателей с максимальным теплоиспользоввнием,
включающие ноЕые соотношения теоретического анализа этих
циклов, описывающие как энергетические, тек и эксергетичос-
кие показатели поршневых двигателей, силовых газовых турбин,
систем газотурбинного наддува (ГТН) и утилизации теплоты,
позволяющие на основании разработанных методик теоретическо
го и экспериментального исследования произвести оценку ре
зервов совершенствования теплоиспользования в силовых уста
новках с ДВС; теории бинарных циклов применительно к ОЦ дви
гателей внутреннего сгорания и смежных с ними систем утили
зации теплоты. ,

2. Объединенное уравнение для зФїйктирного и эксергети-ческого НГЩ тепловых двигателей. .

3. Схемные рчвения комбинировиншх ДВС с системами ути-

.-8-лизации теплоты.

4. Комплекс методик и алгоритмов расчетно-экспериме
тального исследования рабочих процессов КДВС с система
утилизации теплоты, учитывающих особенности схемных решен
СУ. включающий: методику расчета рабочего процесса СУ, со
тояюей из ДВС, силовой газовой турбины, систем утилизац
теплоты и ГТН; метод расчета рабочего процесса в цилинд
паровой расширительной машины, реализованный в дифференц
альной форме на оснований уравнений состояния реальных раб
чих тел (FT); методику анализа реальных процессов в узл
комбинированного ДВС (в том числе я в цилиндре), основанн
на положениях 1-го и 2-го законов термодинамики (балансы т
плоты, работы, эксергии и анергии); методику экспериментал
ного исследования макетного образца СУ с КДВС и утилизацио:
ним паросиловым циклом Ренкина: методику експериментально:
исследования высокотемпературного охлаждения двигателя ти
16ЧН26/27; методику физического моделирования ва одноцилиа
ровом отсеке и поршневом двигателе рабочего процесса комбі
нированного ДВС с силовой турбиной и системой ВИТ.

5. Качественные и количественные характеристики улучим
ния теплоиспольаования в КДВС за счет применения систем уп
лизации сбросной их теплоты.

6. Результаты оценки влияния условий эксплуатации КДК параметров окружающей среда, применяемых в цикле Ренкина pi бочих тел ва схемные решения силовой установки, рациовалыа термодинамические и конструктивные параметры, а также эффе» тнвность СУ.

7. Результаты оценки влияния систем утилизации теплої ва показатели ннутрицилиндровых процессов ДВС.

в. Энергетические и зкеергетическяе диаграммы рабочя

іроцессов в цилиндра ДВС и смежных с яви систем утилизации теплоты.

Диссертация выполнена в Соответствие с отраслевыми ко-зрдинашіошшми планами НИР и ОКР министерства тяжелого а гранспортного машиностроения СССР по созданию транспортного пизель-генератора типа ЧН32/32 (постановление ГКНТ ССОР №467/241 от 9.12.1980 г.), Минтракторосельхозмаиа СССР по проведению научных исследований и разработке технического проекта комбинированного адиабатного дизеля и по созданию перспективных тракторных двигателей (постановления ГКНТ СССР Я 375 ОТ 8.09.1960г. и N 555 от 30.10.1985г.).

Результаты научного исследования передави: по тепловоз-аым дизель-генераторам на ПО "Завод имени Малывева" (технический проект двигателя Д80), автотракторным КДВС - ГСКВД (г.Харьков), НИКТИД (г.Владимир), НАН Украины, на ДЗТ и, наконец, применительно к судовым ДВС - Керченскому заводу "Залив" и морскому торговому порту. Они используются также в практике научно-исследовательских работ лаборатории перспективных двигателей каф. ДВС ХГПУ, а также в учебном процессе для студентов специальности 15.01 - двигатели внутреннего сгорания при чтении курсов*: "Термодинамика", "Теория* рабочих процессов в ДВС", "Системы наддува и утилизации в ДВС".

Эффект от внедрения результатов диссертационного исследования оценен в 89,5 млн. крб. в год по ценам первого квартала 1993 года и около 150 тыс. рублей по ценам 1983 года. АПРОБАЦИЯ И ПУБЛИКАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ НАУЧНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ, СТРУКТУРА Я ОВЬЕм ДИССЕРТАШОННОЯ РАБОТЫ

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной расоты доложены на '6 всесоюзных, республикяк-

- 10 -свах в отраслевых научно-технических конференциях: "Высок наддув поршневых двигателей в роторные двигатели" (Тбилис ИМ АН Грузии, 1981г.); "Повышение эффективности ИСПОЛЬЗОВ ния автомобильного транспорта и автомобильных дорог в уел ввях варкого климата в высокогорных районов" (Ташкент, ТАД 1932г.); "Создание и совершенствование быстроходных дизеле (Токмак, ПО "Евдизельмаш", 1962г.); "Современный уровень пути совершенствования экономических и экологических показ телей" (Ворошиловград, ВЫИ.1983г.); "Направления исследов вий во экономии жидкого топлива автономными локомотивам (Коломна, ВНИТИ, 1984г.); "Проблемы форсирования и надежно тв тракторных в комбайновых двигателей" (Владимир, НЖЩ 1985 г.); "Теория и расчет мобильных машин и двигателей вн тренвего сгорания" (Тбилиси, ИММ АН Грузии, 1985 г:); "Пр менвние ексергетических методов анализа в оптимизации целью повышения эффективности использования анергетичесю ресурсов" (Каев, ИТТ АН Украины; Николаев, НИИ, 1986 г. "Перспективы развития комбинированных двигателей внутренне: сгорания в двигателей новых схем на новых тошшвах" (Москві МВТУ, 1987 г.); "Применение ексергетических методов аналк в оптимизации о целью повышения эффективности использован! энергетических ресурсов"(Киев, ИТТ АН Украины; Харьков. Ш 1988 г.); "Актуальные проблемы технического прогресса суде вых турбинных установок" {Ленинград, ЛКИ, 1939 г.); "Эксе] готический метод анализа в его применение в технических аковомжческжх задачах" (Киев, ИТТ АН Украины; Николаев, НЮ 1990 г.); "Проблемы экономичности и эксплуатации дввгатс леї внутреннего сгорания в АПК СССР" (Саратов, СИМОЭ 1990 г.); "Рабочие процессы в ДВС с ограниченным отводе тешш" (Новсиябирск, КГПМ СО АН СССР, 1990 г.); "Актуал»

- 11 -ше про&лемц- развития двигателей внутреннего сгорания и да-іельшх установок" (Ленинград, ЛКИ, 1990 г.).

Международных конференциях: "Дизельные двигатели '89" ;Волгария, Варна, 1989 г.); "Компьютер: наука, техника, тех-юлогия, здоровье" (Украина, Харьков, ХПИ; Венгрия, Мипколь-жнй университет, 1993, 1994 г.г.); K0NES-94 (Польша, Люблин, 1994 г.).

Научно-технических конференциях преподавателей и сотр> даиков ХИИТа (1981 - 1991 г.г.), ХПИ (1982 - 1992 г.г.).

Заседаниях НГС НИКТИДа (1983г.),ЙЫМ АН Грузии (1984г.У, ІНИТИ (1985г.), ПО "Коломенский завод" (1987 г.), ПО "Завод тени Малышева" (1988 г.), квфедры ДВС ХПИ (1992 г.).

Публикации. По результатам диссертационного иоследова-ия опубликовано 2 монографии (В соавторстве; обо о 992 г.), 44 научных работы, в том числе получено б'автор-х свидетельств.

Об'єм и структура работы. Диссертация состоят из введе-ия, шести глав, заключения, списка использованных литера-урных источников и 4 прилоханий. Работа содэркит 253 стр. сяовного текста, 46 таблиц.и 108 рисунков.

В ходе выполнения диссертационной работы автором полу-ены новые теоретические и практические результаты, которые : выносятся на защиту. (С ним относятся:

1. Основы теории максимального теплоиспользования в сн-гавых установках, состоящих из поршневых двигателей внутрен-іего сгорания и систем утилизации вторичных йнергоресурсов.

2. Комплекс методик математического и физического моде-ирования, анализа и оптимизации реальных процессов в ryj/k>-

- 12 -компаундних ДВС, базирующихся на новых положениях, сочетающих 1-Й в 2-й законы термодинамики, а также учитывающие особенности реальных рабочих тел.

3. Переданные промышленности схемные решения перспективных турбокомпаундных среднеоборотных и быстроходных ДВС, рациональные конструктивные в термодинамические параметры систем утилизации втих двигателей.

4. Результаты анализа твплоиспользования в КДВС с системами утилизации теплоты, оценки взаимного влияния рабочих процессов в цилиндре ДВС, лопаточных машинах и системе ВИТ, энергетические в ексергетическив диаграммы рабочих процессов в таких силовых установках.

Применяемая в диссертационной работе совокупность средств, методов в приемов базируется на принципах системности, которая предусматривает: комплексный подход к проблеме совершенствования твплоиспользования в ДВС; расчетно-экстарнментальный метод научного исследования; разработку новых научных положений, позволяющих' в сочетании с известными, рациональным образом обеспечить решение цели в задач диссертации.

При атом новые методики математического и физического моделирования рабочих процессов турбокомпаундных ДВС с силовыми газовыми и паровыми турбинами предусматривают использование фундаментальных 1-го в 2-го законов термодинамики (вверговксергетическвй подход)! идентификацию математических моделей с реальными процессами, зафиксированными -экспериментально, обеспечивают осуществление возможности научных обобщений, выработку практических рекомендаций..

Объектом научного исследования является семейство тур-
сЧжомпвундных-дизелей, которые в диссертационной работе ран
жированы по быстроходности ( быстроходные и среднеоборот
ные), назначению (автотракторные, тепловозные, судовые),
глубине утилизации, вторичных энергоресурсов (ЛВС с системами
ГТН, две с ГТН и СТ, ДВО с ГТН, СТ и системами утилизация по
токов тешют ОГ. ОГ и ОЖ, ОГ и промежуточного охлаждения
наддувочного воздуха и т.д.), назначению утилизационных кон
туров (для получения дополнительной работы, нужд теплофика
ции, опреснения морской воды).