Разработка электрического теплоаккумулирующего нагревателя для дизельных двигателей

На правах рукописи

щегольков Александр Викторович

РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРИЧеСКОГО
ТЕПЛОАККУМУЛИРУЮЩЕГО НАГРЕВАТЕЛЯ
ДЛЯ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Специальность 05.20.02 – Электротехнологии и электрооборудование
в сельском хозяйстве

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Мичуринск 2010

Работа выполнена на кафедре «Электрооборудование и автоматизация» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет» (ГОУ ВПО ТГТУ).

Научный руководитель	доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ Калинин Вячеслав Федорович
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор Дмитриев Олег Сергеевич
	кандидат технических наук, доцент Гурьянов Дмитрий Валерьевич
Ведущая организация	ГОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет»

Защита диссертации состоится «26» ноября 2010 г. в 1200 часов на заседании Диссертационного совета ДМ 220.041.03 в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мичуринский государственный аграрный университет» по адресу: 393760, Тамбовская область, г. Мичуринск, ул. Интернациональная, д. 101, корп. 1, ауд. 206 «Зал заседаний диссертационных советов».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «МичГАУ».

Автореферат разослан «25» октября 2010 г. и размещен на сайте ФГОУ ВПО «МичГАУ» http://mgau.ru .

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент Н.В. Михеев

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Дизельные двигатели нашли широкое применение в АПК, главным образом, в качестве энергетических установок для мобильного транспорта. Эффективной мерой поддержания рациональных эксплуатационных параметров для дизельных двигателей в условиях низких температур окружающей среды являются средства электронагрева.
К их преимуществу следует отнести компактность и отсутствие вредных выбросов в окружающую среду. Использование средств электронагрева позволит повысить экологическую эффективность и топливную экономичность дизельных двигателей в условиях низких температур.

Однако распространение средств электронагрева для мобильной техники сдерживается из-за отсутствия приспособленных для работы в условиях повышенных вибраций нагревательных элементов. Работа в условиях повышенных вибраций и резких перепадов температуры, а также возможность попадания влаги приводят к нарушению электрического контакта или к механическому разрушению нагревательных элементов.

Таким образом, актуальным является разработка средств электронагрева, которые способны эффективно работать в условиях повышенных вибраций и температурных перепадов, при этом конструкция нагревательного элемента должна обеспечить:

• устойчивость механической структуры в условиях вибрации;
• устойчивый электрический контакт с системой электропитания;
• устойчивый тепловой контакт с нагреваемой средой;
• пожаро- и взрывобезопасность в условиях работы дизельного двигателя;
• приспособленность к системе электроснабжения мобильной техники.

Также важно уделить внимание совершенствованию принципов работы керамических нагревателей с положительным температурным коэффициентом (ПТК) в плане улучшения их режимных параметров.

Цель работы. Разработка электрического теплоаккумулирующего нагревателя на основе наноструктурного углерода и совершенствование режимов работы керамических нагревателей с положительным температурным коэффициентом с учетом особенностей дизельных двигателей.

Объект исследования. Электро- и теплофизические процессы в средствах электронагрева, применяемых для улучшения эксплуатационных параметров дизельных двигателей мобильной техники.

Предмет исследования. Взаимосвязи и закономерности изменения электро- и теплофизических параметров в средствах электронагрева дизельных двигателей мобильной техники.

Методы исследований. При выполнении работы использованы методы математического моделирования и физического эксперимента. Теоретические изыскания сопровождались разработкой математических моделей.

Научную новизну составляют:

• обоснование возможности использования наноструктурного углерода в материале электрического теплоаккумулирующего нагревателя;
• математическое описание распределения эквипотенциальных линий на поверхности электрического теплоаккумулирующего нагревателя, позволяющее находить тепловое поле с использованием численного решения дифференциального уравнения Пуассона в частных производных;
• принцип работы керамических нагревателей с положительным температурным коэффициентом, при котором снижен пусковой ток.

Практическая значимость:

• конструктивные схемы средств электронагрева питающего воздуха и дизельного топлива, защищенные патентами на изобретение РФ № 2309287 и № 2398126;
• повышение топливной экономичности и снижение токсичности выхлопных газов дизельных двигателей в условиях эксплуатации при низких температурах.

Реализация результатов исследований. Метод расчета нестационарных тепловых процессов разогрева элементов двигателей мобильной техники использовался при создании рабочего проекта безгаражного хранения автотракторной техники «База АВП Моршанского УМГ» для ООО «Мострансгаз». Устройство терморегулирования топлива и питающего воздуха внедрено в ООО «Знаменское», с. Знаменка Токаревского р-на Тамбовской области.

Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертации доложены, обсуждены и одобрены на: Всероссийской научно-практичес­кой конференции «Актуальные проблемы агропромышленного комплекса», Ульяновск, 2007; V международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве»,
Москва, ГНУ ВИЭСХ, 2006; VI международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве», Москва, ГНУ ВИЭСХ, 2008; XV международной научно-практической конференции «Транспорт, экология – устойчивое развитие», Ековарна,
21 – 23 мая 2009, Варна Болгария.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 14 печатных работ, в том числе 6 работ в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 2 патента РФ на изобретение. Общий объем публикаций составляет 6,5 печ. л., из них 3,2 печ. л. принадлежат лично соискателю.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 155 страницах, содержит 60 рисунков, 11 таблиц и 3 приложения. Список используемой литературы включает 120 наименований, из них 15 на иностранном языке.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель, раскрыта научная новизна, практическая ценность, приведены результаты апробации и реализации теоретических и практических исследований с обоснованием достоверности.

В первой главе «Анализ информационных источников и постановка задач исследования» приведены результаты анализа технических средств улучшения эксплуатационных показателей дизельного двигателя в условиях низких температур таких ученых, как Е.А. Пучин, Т.В. Крамаренко,
Г.Ф. Большаков, Д.Н. Вырубов, П.А. Власов, В.А. Овтов, А.П. Уханов
и другие. При этом над созданием энергосберегающих технологий в АПК работали такие ученые, как: Д.С. Стребков, В.Н. Расстригин, В.Ф. Калинин, С.В. Горелов.

В ходе информационного анализа выявлены противоречивые подходы, связанные с улучшением показателей дизельных двигателей в условиях низких температур. Это выразилось в разработке большого спектра устройств и способов, в основном направленных на повышение эффективности пуска дизельного двигателя. При этом работа жидкостных подогревателей сопровождается большими потерями теплоты. Устройства разогрева моторного масла утратили свою актуальность, так как современное моторное масло имеет необходимую вязкость и не требует подогрева.

Основной недостаток разработанных средств предпусковой тепловой подготовки – большие энергетические затраты.

К средствам, которые воздействуют на процесс сгорания топливо-воздушной смеси, относятся электрофакельные устройства (ЭФУ). ЭФУ осуществляет подогрев воздуха, но при этом требуется увеличить его количество для полного сгорания топлива в момент пуска. При этом ЭФУ предназначено для пуска двигателя,
а в режиме холостого хода его работа не эффективна. Устройства, предназначенные для подогрева топлива, базируются на нагревательных элементах, которые реализуют температуру выше рационального значения для топлива.

В ходе информационно-патентного обзора установлено, что рациональнее не проводить тепловую подготовку всего двигателя, а обеспечить эффективное сгорание топливо-воздушной смеси. Путем подбора соответствующего температурного режима для топлива и питающего воздуха, с увеличением подачи воздуха для более полного сгорания топлива.

Сформулированы задачи исследований:

1. Разработать нагревательный элемент, способный функционировать в условиях повышенных вибраций дизельного двигателя.
2. Изучить электро- и теплофизические характеристики нагревательных элементов на основе наноструктурного углерода.
3. Разработать математическое описание электрофизических процессов в нагревательном элементе на основе наноструктурного углерода, а также терморегулирования топлива и питающего воздуха в дизельных двигателях.
4. Разработать методику экспериментальных исследований электро- и теплофизических параметров средств электронагрева, а также стендовых испытаний средств электронагрева при терморегулировании топлива и питающего воздуха в дизельных двигателях.
5. Провести экспериментальные исследования средств электронагрева для терморегулирования топлива и питающего воздуха в дизельном двигателе.
6. Провести производственные испытания системы терморегулирования на основе нагревательных элементов с наноструктурным углеродом и устройства терморегулирования питающего воздуха и дать экономическую оценку представленных средств электронагрева.

Во второй главе «Теоретическое обоснование электрических нагревателей для дизельных двигателей» рассмотрены нагревательные элементы на основе наноструктурного углерода, которые использованы для терморегулирования топлива, и керамические нагреватели с ПТК для терморегулирования питающего воздуха в дизельных двигателях.

Для нагревательного элемента на основе наноструктурного углерода представлено математическое описание распределения температурного поля в соответствии с электрофизическими аспектами, присущими взаимодействию наноструктурного углерода с органическими диэлектриками. Установлено, что среднее значение температуры находится в функциональной связи с электрическим потенциалом:

Тср = f(ср). (1)

Математическое описание включает в себя следующие стадии. На первой стадии производится численное решение (методом конечных элементов) двумерного уравнения Пуассона в частных производных, включающего в себя вторые производные функции по двум пространственным переменным:

, (2)

где x и y – пространственные переменные, м; – потенциал электростатического поля, В; – заряд электростатического поля, Кл; – диэлектрическая проницаемость материала, Ф/м; 0 – диэлектрическая проницаемость вакуума 8,8510–12 Ф/м.

Граничные условия Дирихле для уравнения (2) задаются в виде напряжения на питающих электродах:

. (3)

Представленный нагревательный элемент способен аккумулировать теплоту при подаче на его электроды электрического напряжения за счёт фазового перехода органического диэлектрика, в котором распределён наноструктурный углерод. В соответствии с этим он является электрическим теплоаккумулирующим нагревателем (ЭТН).

На рисунке 1 приведена схема ЭТН. Результат решения уравнения Пуассона с граничными условиями Дирихле представлен на рис. 1, б в виде эквипотенциальных поверхностей.

На второй стадии производится получение аппроксимирующих зависимостей распределения потенциального поля от расположения питающих электродов.

При расстоянии между компланарными электродами, равном Gэл, распределение потенциала в сечении максимального значения на поверхности ЭТН соответствует аппроксимирующей зависимости вида (коэффициент корелляции 0,99):

(x) = a + bx + cx2 + dx3, (4)

где a, b, c, d – коэффициенты уравнения; x – координата, в направлении которой меняется распределение потенциала , В.

По распределению потенциального поля на поверхности ЭТН можно судить о распределении температурного поля. Это дает возможность конструировать электрические нагреватели с различной пространственной геометрией.

а)	б)

а – ЭТН (1); источник постоянного напряжения (2); электроды (3);
б – распределение электрического потенциального поля
на поверхности ЭТН (эквипотенциальные линии)

Рисунок 1

– Схема ЭТН

ЭТН является нагревательным элементом, который разработан для использования в устройствах терморегулирования дизельного топлива. Регулирование температуры топлива достигается тем, что ЭТН изменяет свой объем при изменении температуры выше температуры фазового перехода. Поэтому, выбрав диэлектрический материал, в котором распределяется наноструктурный углерод с требуемой температурой фазового перехода, можно задать верхний порог, до которого максимально нагреется топливо.

На рисунке 2, а представлена конструкция устройства терморегулирования топлива, которая включает в себя два слоя, разделенных непроницаемой оболочкой. Первый слой осуществляет теплообмен с топливом через стенку теплообменной камеры. Второй производит коротко-цикловое теплоаккумулирование.

На следующем этапе теоретических исследований проведем анализ поведения устройства электронагрева непосредственно в топливной системе.

При этом определение мощности ЭТН, их количества, а также температурного режима проведем на основе анализа теплового баланса всей линии топливоподачи.

Для этого разделим топливную систему на отдельные секторы (рис. 3), которые включают в себя непосредственно трубопровод и технологические элементы. Сектор I – трубопровод и фильтр грубой очистки (ФГО), сектор II – линию топливоподачи и фильтр тонкой очистки (ФТО), а сектор III – линию топливоподачи, топливный насос высокого давления (ТНВД) и линии, ведущие к форсункам.

а) б)

а – поперечное сечение устройства разогрева дизельного топлива с ЭТН;
б – принципиальная электрическая схема ЭТН; 1 – теплоаккумулирующий слой
(ЭТН – теплоаккумулятор); 2 – греющий слой (ЭТН – нагреватель);
3 – питающие электроды; 4 – теплообменная камера; 5 – тепловая изоляция

Рисунок 2

– конструкция устройства терморегулирования топлива

Рисунок 3

– Схема для расчета теплового баланса в системе топливоподачи

На основе схемы тепловых потоков и особенностей устройства для терморегулирования топлива с ЭТН (рис. 3) произведено построение системы дифференциальных уравнений:

где Fэн, Fэа, F1, F2, F11, F3 – площади теплоаккумулирующего и греющего слоя ЭТН, теплообменной поверхности теплоаккумулирующего и греющего слоя, теплообменной поверхности греющего слоя с окружающей средой, теплообменной поверхности греющего слоя с топливом, топливопроводов, ФТО и ФГО, соответственно, м2; Рэа, Рэн – электрическая мощность теплоаккумулирующего и греющего слоя, соответственно, Вт; Tэа, Tэн, Tт, Tокр – температура теплоаккумулирующего и греющего слоя ЭТН, топлива и окружающей среды, соответственно, °С; Cэа, Cэн, Ст – теплоемкость теплоаккумулирующего и греющего слоя ЭТН и топлива, соответственно, Дж/(кг°С); K1–2, K2–3, K1, K3 – коэффициенты теплопередачи от теплоаккумулирующего слоя к греющему слою ЭТН, от греющего слоя в топливо, от теплоаккумулирующего слоя в окружающую среду, от элементов топливной системы в окружающую среду, соответственно, Вт/(м2°С); эн, эа, т – плотность греющего, теплоаккумулирующего слоев ЭТН и топлива, соответственно, кг/м3; hэн, hаэ – высота теплоаккумулирующего и греющего слоя ЭТН, соответственно, м; Vт – объем топлива, м3; – время, с.

Решение системы уравнений (5) производили методом Рунге-Кутта
4-го порядка. На рисунке 4 представлены графики численного решения системы уравнений (5). Из рисунка 4, а видно, как меняется температура топлива в устройстве с ЭТН с течением времени, при этом температура топлива приближается к значению температуры ЭТН. На рисунке 4, б показана зависимость мощности ЭТН от температуры топлива при окружающей температуре –20°С.

а)	б)