Обеспечение стабилизации температуры наддувочного воздуха в комбинированных двигателях путем применения теплового аккумулятора

Акгуалыюсть темы исследования. Непрерывно) скоряющееся развитие 1ехники i ребуег все более быстрого рос га ai pei, а той мощное г и двигателей, уменьшения их удельных габаритов и улучшения экономичное! и без существенною увеличения массы при постоянно возрастающей надежности. Увеличение мощности поршневых двшателей впуiренпего счорапия (ПДВС) без изменения их размеров связано с необходимоешо ре! иения задачи сжигания в цилиндрах больших порций топлива за один рабочий цикл. Решение эюй задачи требует подачи в цилиндры большего количес! ва воздуха (в дизелях) или юрючей смеси (в двителях с внешним смесеобразованием), т. е. увеличение количества свежего заряда Увеличение количества свежего заряда при неизменном рабочем объеме двителя может быть обеспечено только за счет повышения ею плотности в результате предварительною сжатия. Этот способ, предложенный в 1902 году инженером Альфредом Ьюхи и известный под названием наддува, успешно применяется в современном двигателестроении. Совокупность ПДВС и системы наддува (включающей как минимум компрессионную машину) называют комбинированными двигателями.

Опыт показывает [37], что плотность заряда, подаваемою в цилиндры ПДВС (в дальнейшем — дизелей) с наддувом можно увеличить в три раза и более по сравнению с плотностью атмосферною воздуха. Однако повышение давления наддувочного воздуха сопровождается ростом ею 1емпературы. Гак применение наддува в 0,5 бар над уровнем давления окружающей среды приводит к росту температуры на впуске примерно на 30 °C, а при наддуве 0,7−1,0 бар (избыточных), — уже на 130 °C [ 101 ].

С одной стороны, это повышение температуры заряда в цилиндре позволяет успешно применять более дешевые нетрадиционные (алыернатив-ные) топлива. Их особенностью, как правило, является пониженная воспламеняемость, повышенная вязкость и т. п. С другой стропы, указанное повышение температуры требует ограничения давления наддува в связи с ухудшением некоторых характерис I ик рабочею процесса, а также с повышением тепловой и механической нагруженности деталей двигателя |74].

Избежать указанных негативных последствий наддува позволяет охлаждение наддувочного воздуха. Надувочный воздух чаще всего охлаждают с помощью рекуперативных теплообменников, причем в качестве охлаждающего теплоносителя применяют агмосферный воздух или охлаждающую жидкость из системы охлаждения двигателя. Движение охлаждающею и промежуточного теплоносителей может бьпь осущеавлено различными способами, выбор которых производят исходя из уровня наддува, компоновочных условий, имеющихся на двшателе и транспортном средстве, технологических и производственных возможностей, условий эксплуатации и др. В результате сочетания определенного вида охлаждающего теплоносителя и способа его применения могут быть выполнены разные схемы спаем охлаждения надувочного воздуха.

Однако охлаждение надувочного воздуха связано с дополнительными затратами на привод вспомогательных агрегатов, обеспечивающих требуемый тепловой режим работы двига1еля, а также с увеличением объема и массы силовой установки.

Кроме того, только охлаждение наддувочного воздуха решает только одну сторону проблемы — снижение высокой температуры. Вопросы же повышения его температуры при работе комбинированных двигателей на неустановившихся режимах в литературе практически не рассматриваются. Между тем, решение этих вопросов тем более актуально, чю достаточно широко применяемые сегодня охладители наддувочного воздуха мо1уг (если не предусмотрено специальных мер для их отключения) понижать температуру свежего заряда и в случаях, когда в этом нет необходимости, более того, когда это вредно с точки зрения протекания рабочего процесса.

Особенно остро проявляется вредное влияние низкой температуры наддувочного воздуха при длительной работе комбинированных двшателей (как и двигателей без наддува) на режимах малых нагрузок и холостого хода.

Анализ влияния температуры наддувочного воздуха на особенности протекания рабочего процесса в комбинированных двигателях, проведенный в первой главе настоящей работы, показал очевидное существование научной проблемы, заключающейся в существенной зависимости эффективности рабочего процесса и надежности поршневых ДВС от температуры поступающего в цилиндры свежего заряда. При этом как нагрев, так и охлаждение наддувочного воздуха выше или ниже некоторых оптимальных температурных границ ведут к негативным последствиям. Существующие в современной практике двигателестроения способы нейтрализации этих последствий недостаточно эффективны.

На наш взгляд, решение проблемы поддержания температуры наддувочного воздуха в оптимальных пределах для обеспечения эффективного протекания рабочего процесса и повышения надежности комбинированных ДВС при работе на любых эксплуатационных режимах представляется принципиально возможным за счет использования аккумулятора внутренней энергии (который в рассматриваемом аспекте логично называть «стабилизатором температуры наддувочного воздуха»), установленного во впускном тракте комбинированного ДВС после компрессора. Однако подобные исследования до настоящего времени не проводились.

Цель настоящей работы — стабилизировать температуру наддувочного воздуха на уровне, обеспечивающем целесообразное сочетание мощно-стных, экономических показателей дизеля, механической и тепловой нагру-женности его деталей и узлов при работе на любых режимах.

Объект исследования — энергетические процессы в стабилизаторе температуры наддувочного воздуха, содержащем теплоаккумулирующее вещество, находящееся в состоянии фазового перехода.

Предмет исследования — закономерности изменения температуры наддувочного воздуха при прохождении его через стабилизатор температуры Гипотеза исследования. Использование стабилизатора температуры наддувочного воздуха, установленного во впускном тракте после компрессо ра, обеспечит поддержание температуры заряда, поступающего в цилиндры двигателя в пределах, необходимых для обеспечения эффективного протекания рабочего процесса и приемлемых уровней механической и тепловой на-груженности при работе комбинированных ДВС на любых эксплуатационных режимах.

Для достижения указанной цели на основании выдвинутой гипотезы было необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать физическую модель и составить систему уравнений (математическую модель), описывающие энергетические процессы, происходящие в стабилизаторе температуры наддувочного воздуха, установленном во впускном тракте комбинированного ДВС после компрессора.

2. Разработать методику определения целесообразного значения температуры наддувочного воздуха с точки зрения обеспечения «компромисса» между мощностными, экономическими показателями дизеля, механической и тепловой нагруженностью его деталей и узлов.

3. Разработать и изготовить опытный образец стабилизатора температуры наддувочного воздуха. Провести экспериментальные исследования с целью проверки адекватности предложенной физико-математической модели.

4. Экспериментально исследовать изменение показателей рабочего цикла дизеля зависимости от температуры наддувочного воздуха и установить целесообразное значение его температуры с точки зрения обеспечения «компромисса» между мощностными, экономическими показателями двигателя, механической и тепловой нагруженностью его деталей и узлов.

5. Экспериментально оценить эффект использования стабилизатора температуры наддувочного воздуха при работе дизеля на различных режи мах.

Методологической основой исследования служили: основные положения классической термодинамики, теории тепломассообмена и теории рабочих процессов поршневых ДВС.

Методы исследования. Для решения перечисленных выше задач и достижения поставленной цели в работе использовались: теоретический анализ и обобщение научной и специальной литературытеоретические и экспериментальные методы исследования, методы математического моделирования, математической и статистической обработки экспериментальных результатов.

Обоснованность и достоверность результатов подтверждаются применением комплекса современных информативных и объективных методов исследования, подбором современной измерительной аппаратуры, ее систематической поверкой и тарировкой, соблюдением требований соответствующих стандартов и руководящих документов на проведение испытаний и корректной статистической обработкой экспериментальных данных с использованием ПК. Научные положения и выводы подтверждены результатами, полученными в ходе натурных экспериментов.

Научная новизна результатов работы заключается в следующих положениях, выносимых автором на защиту:

1. Разработана физическая модель и составлена система уравнений, описывающие энергетические процессы, происходящие в стабилизаторе температуры наддувочного воздуха нового типа, установленном во впускном тракте комбинированного ДВС после компрессора.

2. Разработан и реализован способ определения Температуры наддувочного воздуха, 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.

3. Предложено решение задачи сохранения температуры наддувочного воздуха на уровне, обеспечивающем получение достаточно высоких эффективных показателей рабочего процесса дизеля в сочетании с умеренными механическими и тепловыми нагрузками при работе двигателя на различных режимах.

4. Практическая ценность работы. Предложенная методика определения целесообразной температуры наддувочного воздуха, позволяет устанавливать ее значение для любого конкретного двигателя.

Система уравнений, описывающая процессы во впускном тракте комбинированного двигателя, оборудованного стабилизатором температуры наддувочного воздуха, позволяет определять его конструктивные параметры, при которых обеспечивается получение требуемой температуры свежего заряда во время работы двигателя на различных режимах.

Экспериментально подтверждена возможность решения задачи стабилизации температуры наддувочного воздуха на уровне, обеспечивающем целесообразное сочетание мощностных, экономических показателей дизеля, механической и тепловой нагруженности его деталей и узлов при работе на неустановившихся режимах, длительных режимах малых нагрузок и холостого хода.

Представленные в диссертации материалы целесообразно использовать в научно-исследовательских, проектно-конструкторских организациях и на предприятиях, занимающихся разработкой комбинированных поршневых ДВС.

Реализация результатов работы. Получен патент на полезную модель комбинированного двигателя с предложенным способом стабилизации температуры свежего заряда. Материалы диссертации (концепция стабилизации температуры наддувочного воздуха с помощью теплового аккумулятора, математическая модель процессов, протекающих в системе стабилизации температуры наддувочного воздуха, методика определения целесообразного уровня охлаждения наддувочного воздуха) приняты к проработке в 38 НИИ МО РФ (г. Кубинка) при формировании планов НИОКР на 2007;2010 гг. В учебном процессе при выполнении курсовых и дипломных проектов и чтении отдельных разделов лекций по дисциплинам «Двигатели военной автомобильной техники» и «Теплотехника» в Челябинском высшем военном автомобильном командно-инженерном училище используются: конструктивные схемы систем наддува дизеля со стабилизатором температуры наддувочного воздухатермодинамическая и математическая модели процессов во впускном тракте комбинированного двигателя, оборудованном стабилизатором температуры наддувочного воздухаметодика определения уровня целесообразной температуры наддувочного воздуха.

Апробация работы. Материалы диссертации были доложены и об/ суждены: на научно-методических семинарах с участием сотрудников кафедр двигателей и эксплуатации военной автомобильной техники Челябинского высшего военного автомобильного командно-инженерного училища (2004;2006 гг.) — международном Форуме по проблемам науки, техники и образования (Москва, 2005 г.), международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы теории и практики современного двигателе-строения» (Челябинск, 2006 г.), международной научно-технической конференции «Эксплуатация и методы исследования систем и средств автомобильного транспорта» (Тула, 2006) — расширенном заседании кафедры «Двигатели внутреннего сгорания» Южно-Уральского государственного университета (2006).

Личный вклад автора. Автору принадлежат:

— постановка задач;

— разработка физической модели и системы уравнений, описывающих процессы во впускном тракте дизеля с наддувом, оборудованном стабилизатором температуры наддувочного воздуха;

— разработан способ определения температуры наддувочного воздуха, при которой обеспечивается получение высоких эффективных показателей рабочего процесса дизеля в сочетании с умеренными механическими и тепловыми нагрузками при работе двигателя на неустановившихся режимах, длительных режимах больших, малых нагрузок и холостого хода;

— разработка конструкции стабилизатора температуры наддувочного воздуха;

— результаты математического моделирования и обработки экспериментальной части исследования.

Изготовление опытного образца стабилизатора температуры наддувочного воздуха и экспериментальные исследования выполнялись при непосредственном участии автора.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ и получен патент на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация содержит 143 страницы машинописного текста, включающего 39 рисунков, 12 таблиц и состоит из введения, пять глав, заключения, списка основной использованной литературы (135 наименований) и приложения.

Основные результаты и выводы, отражающие итог выполненной диссертационной работы, заключаются в следующем.

1. Разработана система стабилизации температуры наддувочного воздуха на уровне, обеспечивающем «компромисс» между мощностными, экономическими показателями, механической, тепловой нагруженностью деталей и узлов дизеля, а также дымностью его отработавших газов при работе на неустановившихся режимах, длительной работе на режимах больших, малых нагрузок и холостого хода.

2. Разработана физическая модель процессов энергообмена в стабилизаторе температуры наддувочного воздуха. Это позволило составить систему уравнений, описывающую рассматриваемые процессы, использование которой дает возможность:

— исследовать температурное поле системы стабилизации температуры наддувочного воздуха и энергетические потоки в ней;

— определять конструктивные характеристики стабилизатора температуры наддувочного воздуха;

— определять расход отработавших газов, обеспечивающий стабилизацию температуры наддувочного воздуха на требуемом уровне в условиях работы ДВС на длительных режимах малых нагрузок и холостого хода.

Адекватность математической модели проверена и подтверждена (с достоверностью не менее 95%).

3. Предложен и реализован способ определения целесообразного значения температуры наддувочного воздуха с точки зрения «компромисса» между мощностными, экономическими показателями, механической, тепловой нагруженностью деталей и узлов дизеля, а также дымностью отработавших газов.

4. Экспериментально установлен характер изменения показателей рабочего процесса дизеля ЯМЗ-8424 в зависимости от температуры наддувочного воздуха и определен целесообразный уровень его температуры (66−81 °С) с точки зрения «компромисса» между мощностными, экономическими показателями дизеля, механической и тепловой нагруженностью его деталей и узлов. Это позволило выбрать теплоаккумулирующее вещество (кристаллогидрат окиси бария с температурой фазового перехода 78 ОС).

5. Экспериментально подтверждена гипотеза о возможности стабилизации температуры наддувочного воздуха на установленном целесообразном уровне с максимальным отклонением от него на 2 °C при работе дизеля ЯМЗ-8424 в условиях неустановившихся режимов, режимов малых нагрузок и холостого хода.

6. Предложен показатель для оценки эффективности работы системы стабилизации наддувочного воздуха — коэффициент стабилизации температуры наддувочного воздуха {КС1 =(ТК -|ГЦ|)/Т"}, где Тк — фактическая температура воздуха, поступающего в цилиндры, Т&bdquo- - целесообразное значение температуры свежего заряда, который показывает степень отклонения фактической температуры наддувочного воздуха перед впускными органами поршневого ДВС ее целесообразного значения.

7. Сравнительный анализ экспериментов, проведенных со штатным ох/ ладителем наддувочного воздуха и с предложенной системой стабилизации температуры свежего заряда, показал, что во втором случае:

— коэффициент стабилизации температуры наддувочного воздуха уменьшился с 6,00 до 1,48 (на 75,33%);

— степень повышения плотности свежего заряда увеличилась с 1,307 до 1,683 (на 23,34%);

— гидравлический КПД повысился с 0,88 до 0,91 (на 3,412%).

Сказанное свидетельствует о том, что, используя предложенную в диссертации систему стабилизации температуры наддувочного воздуха, можно У обеспечить требуемую температуру свежего заряда и, следовательно, избежать негативных последствий, сопутствующих работе дизеля на переменных режимах, длительных режимах малых нагрузок и холостого хода.

8. Материалы диссертации приняты к проработке в 38 НИИ МО РФ (г. Кубинка) при формировании планов НИОКР на 2007;2010 гг. В учебном процессе при выполнении курсовых и дипломных проектов и чтении отдельных разделов лекций по дисциплинам «Двигатели военной автомобильной техники» и «Теплотехника» в Челябинском высшем военном автомобильном командно-инженерном училище используются: конструктивные схемы систем наддува дизеля со стабилизатором температуры наддувочного воздухатермодинамическая и математическая модели процессов во впускном тракте комбинированного двигателя, оборудованном стабилизатором температуры наддувочного воздухаметодика определения уровня целесообразной температуры наддувочного воздуха.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Литературные материалы и результаты проведенного исследования свидетельствуют о существенном влиянии температуры наддувочного воздуха на характер рабочего процесса комбинированных поршневых ДВС, их тепловую и механическую нагруженность. При этом как повышение, так и понижение температуры относительно некоторого ее уровня приводит к негативным последствиям. При длительной работе комбинированных двигателей на режимах малых нагрузок и холостого хода эти негативные последствия проявляется особенно остро.

Предложенное и реализованное автором решение названной проблемы с помощью аккумулятора внутренней энергии (аккумулирующего энергию с помощью фазового перехода и установленного во впускном тракте после компрессора), обеспечило поддержание температуры наддувочного воздуха на уровне, необходимом для получения высоких эффективных показателей рабочего процесса дизеля ЯМЗ-8424 в сочетании с умеренными механическими и тепловыми нагрузками при его работе на неустановившихся режимах, режимах малых нагрузок и холостого хода.

На предложенную систему стабилизации температуры наддувочного воздуха автором получен патент.