авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Повышение экономических и экологических показателей дизеля путём реализации комбинированного шеститактного цикла

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Быстров Олег Иванович

Повышение экономических
и экологических показателей дизеля
путём реализации комбинированного шеститактного цикла

Специальность 05.04.02 - «Тепловые двигатели»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Челябинск – 2008

Работа выполнена на кафедре «Двигатели» Челябинского высшего военного автомобильного командно-инженерного училища (военного института)

Научный руководитель: заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор

В.С. Кукис

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

А.Н. Лаврик

кандидат технических наук, доцент

А.Ф. Малышев

Ведущая организация - ОАО «НИИ Автотракторной техники»

Защита состоится «24» декабря 2008 г. в « 14.00 » часов на заседании диссертационного совета Д 212.298.09 при Южно-Уральском государственном университете по адресу: 454080. г. Челябинск, просп. им. В.И. Ленина, 76.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЮУрГУ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета. (Е-mail: d212.298.09@mail.ru).

Автореферат разослан «20» ноября 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор техн. наук, профессор Е.А. Лазарев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время со всей остротой встают проблемы истощения природных ископаемых энергоресурсов, в первую очередь, нефти, и угрожающего экологической катастрофой загрязнения окружающей среды отходами многообразной деятельности человека.

В поршневых двигателях внутреннего сгорания (ПДВС) процесс превращения теплоты сжигаемого топлива в работу сопровождается значительными «потерями» энергии. В первую очередь это относится к «потерям» теплоты с отработавшими газами (ОГ). В дизелях они составляют 85-110 % по отношению к эффективной мощности, в двигателях с принудительным воспламенением топлива превосходят ее на 25-45 %. Эту энергию можно утилизировать. Весьма важным направлением при утилизации «потерь» энергии является использование ее для выработки дополнительной работы.

Существует целый ряд технических систем, которые могут быть использованы для утилизации теплоты ОГ ДВС с целью трансформации ее в работу (Шокотов Н.К., 1980; Жмудяк Л.М., 1981; Зайцев С.В., 1984; Шейпак А.А., 1991; Кукис В.С., 1991, 2000, Руднев В.В., 2004, Meijer R.J., El – Masri M.A. и др.). Сравнительный анализ этих систем, проведенный в настоящей работе, показал перспективность применения комбинированного шеститактного рабочего цикла, предложенного автором.

Двигатель, реализующий такой цикл, работает следующим образом. Первые три такта (впуск, сжатие и рабочий ход) осуществляются в полном соответствии с тактами четырехтактного дизеля. В конце расширения выпускной клапан не открывается. Следующий такт – сжатие отработавших газов (ОГ). В конце этого такта через водяную форсунку, под высоким давлением в объём камеры сгорания впрыскивается вода. В период следующего за этим расширения перегретый пар совершает полезную работу. В конце этого, пятого по счёту такта начинает открываться выпускной клапан. Далее следует такт выпуска. Затем описанный цикл повторяется.



Более полное использование термохимической энергии топлива применением шеститактного комбинированного рабочего цикла позволяет повысить не только мощностные, но и экономические показатели силовой установки, а также существенно снизить дымность и токсичность, выбрасываемых в атмосферу газов. Работы, посвященные исследованию комбинированного шеститактного рабочего цикла, в литературе отсутствуют.

Цель работы: – повысить экономические и улучшить экологические показатели дизеля за счет более полного использования термохимической энергии топлива применением шеститактного комбинированного рабочего цикла.

Задачи исследования:

1. Разработать термодинамическую и математическую модели шести-

тактного рабочего цикла, сочетающего сгорание топлива с последующей подачей воды в цилиндр, для более полного использования энергии продуктов сгорания топлива.

2. Теоретически оценить эффективность введения в рабочий цикл дополнительных тактов.

3. На базе четырёхтактного ПДВС разработать экспериментальную установку (с системой для подачи в цилиндр воды) в которой возможна реализация шеститактного рабочего цикла и проверить ее работоспособность.

4. Установить закономерности изменения основных показателей шеститактного рабочего цикла в функции параметров, определяющих подачу воды в цилиндр двигателя.

5. Экспериментально оценить эффективность использования термохимической энергии топлива при реализации шеститактного комбинированного рабочего цикла. Проверить адекватность разработанной математической модели.

6. Экспериментально определить сочетание параметров впрыскивания воды в исследуемый шеститактный поршневой двигатель, обеспечивающее наибольшее среднее индикаторное давление.

7. Оценить повышение эффективности использования энергии топлива при реализации шеститактного рабочего цикла по сравнению с четырёхтактным.

Объектом исследования являлся рабочий цикл шеститактного комбинированного двигателя, выполненного на базе одноцилиндрового четырёхтактного дизеля воздушного охлаждения типа ЧВ 12/12,5.

Предметом исследования служили показатели комбинированного двигателя и процессы, протекающие в цилиндре при его работе.

Методы исследования. Работа базировалась на экспериментальных и расчётно-экспериментальных методах исследования с использованием традиционных и специальных приборов и оборудования.

Научная новизна работы заключается в следующих положениях, выно-симых автором на защиту:

- экспериментально подтверждена гипотеза о возможности одновременного повышения экономических и экологических показателей ПДВС за счет более полного использования энергии топлива применением шеститактного комбинированного рабочего цикла;

- создана термодинамическая и математическая модели, позволяющие исследовать процессы в цилиндре при работе шеститактного комбинированного двигателя, влияние момента начала впрыскивания, давления и количества воды подаваемой в цилиндр двигателя на его мощностные, экономические и экологические показатели;

- установлена взаимосвязь между давлением, количеством и моментом начала впрыскивания воды в цилиндр шеститактного двигателя 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 давления, количества и момента начала впрыскивания воды в цилиндр шеститактного двигателя на его мощностные, экономические и экологические показатели, а также определить сочетание параметров впрыскивания воды в исследуемый шеститактный поршневой двигатель, обеспечивающее наибольшее среднее индикаторное давление.

Представленные в диссертации материалы могут найти применение в научно-исследовательских, проектно-конструкторских организациях и на заводах, занимающихся созданием ПДВС и теплосиловых установок на их базе.

Реализация результатов работы. Материалы диссертационного исследования используются при выполнении НИОКР в НПК «Агродизель» (г. Москва), а также в учебном процессе Челябинского высшего военного автомобильного командно-инженерного училища (военного института).

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и одобрены на научно-методических семинарах с участием сотрудников ка-федр «Двигатели», «Эксплуатация военной автомобильной техники» и «Автомобильная техника» Челябинского военного автомобильного института (Челябинск, 2005-08 гг.); на всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Приоритетные направления науки и техники, прорывные и критические технологии: -энергетические, экологические и технологические проблемы экономики» (Барнаул, 2007 г.), на IV Международном технологическом конгрессе «Военная техника, вооружение и современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения» (Омск
4-9 июня 2007 г.), на межвузовской научно-технической конференции «Повышение эффективности силовых установок колёсных и гусеничных машин»
(Челябинск, 2008 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано семь печатных работ, в том числе две в изданиях, рекомендованных ВАК, получено положительное решение на полезную модель.

Диссертация содержит 157 страниц машинописного текста, включающего 40 рисунков, 16 таблиц и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка основной использованной литературы (161 наименование) и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, его научная новизна и практическая ценность, конкретизированы объект и предмет исследования, приведены научная новизна, практическая значимость, дана общая характеристика диссертационного исследования.

В первой главе рассмотрены «потери» энергии при работе ПДВС, оценены «потери» теплоты с ОГ. Обоснована целесообразность утилизации этой теплоты для получения дополнительной работы. Рассмотрены известные варианты систем утилизации и сделан вывод о перспективности преобразования четырёхтактного рабочего цикла в комбинированный шеститактный для улучшения использования энергии топлива. В заключение первой главы сформулированы цель и задачи диссертационного исследования.

Во второй главе рассмотрена термодинамическая модель комбинированного шеститактного цикла (рис.1). Теоретически проанализированы основные закономерности процессов идеализированного шеститактного комбинированного цикла. Описан процесс смешения рабочего тела.

Рассмотрен рабочий цикл комбинированного двигателя. Выявлены основные регулирующие параметры впрыска воды, оказывающие влияние на эффективность предложенного двигателя.

На основе рассмотренных связей сформулирован перечень показателей для всесторонней оценки достижения поставленной в настоящем исследовании цели. В этот перечень вошли степени повышения мощностных и экономических характеристик шеститактного двигателя, а также степени снижения дымности и токсичности его ОГ.

Третья глава посвящена разработке математической модели рабочего процесса шеститактного двигателя. В её основу положена многократно апробированная модель ЦНИДИ Б.М.Гончара (при моделировании принят закон выгорания Вибе), включающая основные балансовые уравнения массы и энергии рабочего тела в цилиндре двигателя, дополненная дифференциальными уравнениями процессов происходящих в четвёртом и пятом тактах:

Количество воды, поступившее внутрь цилиндра:

, , (1)

где – c - коэффициент расхода воды через сопловое отверстие форсунки; fс - площадь проходного сечения сопловых отверстий форсунки, м2; в – плотность воды кг/м3; рв – давление впрыскивания воды, Па; р – давление рабочего тела в цилиндре, Па.

Количество энергии, затрачиваемое на парообразование: от жидкого состояния до состояния перегретого пара:

,. (2)

где св, сv сп, сvп – удельные массовые теплоемкости воды, сухого и перегретого пара; Тв, Тн, Тп - температура воды, её кипения и сухого пара при соответствующих параметров в цилиндре; r – удельная теплота парообразования.

Математическая модель была дополнена справочными и экспериментальными данными и зависимостями. В частности, для определения количества энергии, затрачиваемой на парообразование впрыскиваемой в цилиндр воды, в программу Excel были введены термодинамические свойства воды и водяного пара в ожидаемом диапазоне давлений, заимствованные из справочной литературы. Далее эти данные были аппроксимированы и получены функциональные зависимости: температуры насыщения от текущего давления в цилиндре, теплоемкости от температуры насыщения, удельной теплоты парообразования от давления, теплоемкости перегретого пара от текущей температуры, являющейся температурой перегрева. Эти функциональные зависимости были использованы в дальнейшем при реализации математической модели. Чтобы замкнуть систему уравнений необходимо знать показатель политропы сжатия продуктов сгорания, который, в свою очередь, является функцией температуры продуктов сгорания, температуры стенок цилиндра шеститактного двигателя и частоты вращения его коленчатого вала. Для нахождения указанных параметров был проведён соответствующий эксперимент.





При моделировании рабочего процесса была использована система визуального проектирования SIMULINK пакета MATLAB. Исходными данными служили параметры, характеризующие теплофизические свойства рабочего тела, конструктивные показатели шеститактного двигателя и условия подачи в него воды. Все расчеты производились методом Рунге-Кутта 4-го порядка точности. Максимальный шаг моделирования был выбран равным 0,0005 с, максимальное модельное время 2 с. Начальные приближения вычислялись автоматически или вводились вручную. Относительная погрешность расчета устанавливалась на уровне 0,1 %. При этом система была представлена в виде нескольких подсистем (блоков), имеющих внутренние и внешние связи. Каждая подсистема, в свою очередь, была разделена на более мелкие элементы до необходимого уровня детализации. Созданная модель позволяет рассчитать и представить в числовом и графическом виде индикаторную мощность, литровую индикаторную мощность, среднее индикаторное давление, удельный индикаторный расход воды и индикаторный КПД шеститактного двигателя, а также изменение любого рассчитываемого параметра рабочего процесса в функции другого параметра или времени.

В четвертой главе дано описание экспериментальной установки. В ее состав вошли: одноцилиндровый шеститактный двигатель воздушного охлаждения, выполненный на базе одноцилиндрового дизеля типа ЧВ 12/12,5; испытательный стенд DS-1036-4/N; приборы для исследования рабочего процесса и определения мощностных, экономических и экологических показателей шеститактного двигателя. Система питания одноцилиндрового двигателя состоит из двух односекционных насосов высокого давления плунжерного типа (сегмент ТНВД НК-12М дизеля Д12А-525 для подачи воды, сегмент ТНВД Урал-744 для подачи топлива). Секция насоса, предназначенная для подачи под высоким давлением дизельного топлива, установлена на индивидуальном валу, приводимом от коленчатого вала шестерённой передачей. Секция водяного насоса высокого давления установлена соосно с распределительным валом. Профили кулачков кулачкового вала, в связи с уменьшенной угловой скоростью, по аналогии с кулачками распределительного вала, незначительно изменены. Плунжерная пара водяной секции обеспечивала максимальную цикловую подачу воды – 0.8 см3. Изменение цикловой подачи осуществлялось рейкой насоса. Изменение угла опережения впрыска воды осуществлялось регулировочным болтом толкателя плунжера. Для подачи воды в цилиндр, в головку цилиндра была установлена дополнительная форсунка (многодырчатая с гидравлическим подъёмом иглы). Распылитель форсунки имеет восемь отверстий диаметром 0,3 мм. Изменение давления подачи воды осуществлялось при помощи регулировочного винта форсунки.

Методика проведения экспериментального исследования включала четыре этапа.

На первом этапе в ходе натурного эксперимента решалась задача проверки работоспособности шеститактного двигателя, определения влияния параметров процесса впрыскивания воды на величину показателя политропы процесса сжатия рабочего тела в цилиндре двигателя, на изменение дымности и токсичности ОГ, а также получение математической модели, описывающей взаимосвязи между перечисленными выше показателями с помощью полиномиальных аппроксимационных уравнений.

Второй этап проведения экспериментов предполагал решение системы уравнений, описывающих внутрицилиндровые процессы в шеститактном двигателе, компьютерное моделирование этих процессов и проверку адекватности разработанной модели.

На третьем этапе экспериментального исследования был изучен рабочий процесс шеститактного двигателя, с использованием разработанной математической модели проводился анализ влияния параметров впрыска воды на среднее индикаторное давление; литровую индикаторную мощность; удельный индикаторный расход воды; удельный индикаторный расход топлива; индикаторный КПД шеститактного двигателя. Расчетные оптимизированные данные проверялись на экспериментальной установке

Пятая глава содержит результаты экспериментальных исследований.

На первом этапе были получены полиномиальные зависимости, описывающие влияние давления впрыскивания воды в цилиндр; количества впрыскиваемой воды (цикловой подачи); момента начала впрыскивания воды в цилиндр на частоту вращения коленчатого вала шеститактного двигателя, показатель политропы процесса сжатия в нем продуктов сгорания, на дымность и токсичность ОГ. Адекватность полученных уравнений была подтверждена с использованием критерия Фишера.

Для определения коэффициентов уравнений был реализован экспериментальный план Хартли на гиперкубе (близкий по своим статистическим характеристикам D-оптимальному плану), предусматривающий проведение 27 опытов. В результате обработки данных эксперимента были найдены полиномиальные зависимости:

- для степени изменения частоты вращения коленчатого вала шеститактного двигателя:

n=1154+83,9Х1+141,1Х2+25,0Х3–19,2Х12–4,2Х22–39,2Х32+38,8Х1Х2; (3)

- для определения показателя политропы процесса сжатия:

nсж =1,209+0,029Х1+0,050Х2+0,007Х3–0,010Х12–0,030Х32+0,012Х1Х2; (4)

- для степени снижения дымности ОГ:

СД =0,42+0,15Х1+0,12Х2–0,01Х3–0,026Х1Х2+0,028Х1Х3––0,027Х2 Х3; (5)

- для степени снижения концентрации оксида углерода в ОГ:

ССО=0,52+0,152Х1+0,2Х2–0,09Х3–0,01Х22; (6)

- для степени снижения концентрации углеводородов в ОГ:

ССН =0,45+0,1Х1+0,09Х2+0,014Х1Х2–0,008Х1Х3+0,009Х2Х3; (7)

- для степени снижения концентрации оксидов азота в ОГ:

СNОх =0,1835+0,12Х1+0,1Х2 +0,01Х3+0,09Х22–0,034Х1Х3; (8)

В уравнениях (3-8) X1, X2, X3 – соответствующие кодовые значения задаваемых параметров впрыска воды.

Адекватность полученных уравнений, проверенная с использованием критерия Фишера, нашла подтверждение с вероятностью совпадения результатов расчета и эксперимента не менее чем в 95 % случаев.

Полученные уравнения позволяют оценивать влияние каждого из рассмотренных факторов и их взаимодействия на выходные параметры. В диссертации подробно обсуждена природа выявленных закономерностей.



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.