Разработка электрического теплоаккумулирующего нагревателя для дизельных двигателей

а – динамика изменения температуры ЭТН (1); динамика изменения температуры топлива (2); б – зависимость мощности ЭТН от температуры топлива

Рисунок 4

– графики численного решения системы уравнений (5)

Устройство терморегулирования питающего воздуха осуществляет нагрев и подачу воздуха во впускной коллектор дизельного двигателя. Для нагрева воздуха применены керамические нагреватели с ПТК, а для увеличения подачи воздуха использован центробежный вентилятор, расположенный в одном корпусе с нагревателями. Математическая модель для представленного устройства имеет вид:

температура поступающего воздуха

T = (ТвVв + Тв.кVв.к)/Vв ;

начальные условия > 0; Tкн = Tв = Tокр = –30°С; T T();

параметры варьирования Рк, hкн, P P(T),

где Fкн, Fуст, Fвоз, Fк –площади поверхности нагревателя, воздуховодов и питающего коллектора, соответственно, м2; Рк – мощность керамических нагревателей, Вт; Tкн, Tв, Tв.к – температура керамических нагревателей, воздуха, проходящего через нагреватель, и воздуха, всасываемого при работе двигателя, соответственно, °С; Скн, Cв – теплоемкость материала нагревателей и воздуха, соответственно, Дж/(кг°С);Kкн, Kуст, Kвоз, Kкол – коэффициенты теплопередачи от нагревателей воздуху, от корпуса устройства
в окружающую среду, от воздуховодов в окружающую среду, от нагретого воздуха к впускному коллектору, соответственно, Вт/(м2°С); hкн – высота нагревателя, м; кн – плотность материала керамического нагревателя, кг/м3; Vв, Vв.к – объем воздуха, проходящего через устройство электронагрева и всасываемого при работе двигателя, соответственно, м3.

Явление фазового перехода в керамическом нагревателе с ПТК, вызывает пиковый скачок силы тока в момент подачи питающего напряжения. Время пикового скачка силы тока зависит от условий теплообмена и характеристик нагревательного элемента: объема и особенностей внутренней структуры, обуславливающей начальное сопротивление.

Qфаз = Fкн hкн кн (Тпер – Тнач) + E + Kкн F(Ткн – Твоз)/, (7)

где Тпер, Тнач –температура переключения и начальная температура керамического нагревателя, соответственно, °С; E – энергия фазового перехода в керамическом нагревателе, Дж.

В третьей главе «Программа и методики экспериментальных
исследований» представлены программа и методики экспериментальных исследований.

Программа экспериментальных исследований включает:

• изучение электро- и теплофизических параметров нагревательных элементов, входящих в состав средств электронагрева;
• обоснование выбора режимных и конструктивных параметров средств электронагрева;
• установление влияния средств электронагрева на расход топлива и токсичность выбросов дизельных двигателей.

В задачу экспериментальных исследований входило выявление
электро- и теплофизических параметров ЭТН.

Для исследования распределения электрического потенциала на поверхности ЭТН был использован прецизионный мультиметр Актаком-1097 с погрешностью измерения постоянного напряжения 0,06 % и переменного 0,1 %.

Для исследования вольт-амперных характеристик (ВАХ) ЭТН задавалось напряжение на электродах ЭТН с шагом 0,1 В и снимались показания тока на амперметре блока питания (Б-7) с погрешностью измерения 0,5 %.

Для исследования распределения температурного поля на поверхности ЭТН был использован тепловизор testo 808 с погрешностью измерения 2 %.

Исследования теплоемкости и теплопроводности ЭТН были проведены с использованием автоматизированных измерительных приборов ИТ-с-400 и ИТ--400, которые работают в диапазоне температур от –120 до +400 °С. Ошибка измерения не более 8 %, характер изменения погрешности во времени аддитивный.

Исследовалось влияние параметров электропитания и условий окружающей среды на величину пускового тока керамических нагревателей с ПТК (рис. 5). При этом с помощью ЛАТРа задавали величину напряжения с шагом 2 В и проводили измерение пускового тока.

1 – керамические нагреватели с ПТК; 2 – амперметр; 3 – ЛАТР

Рисунок 5

– Принципиальная электрическая cхема
измерения пускового тока в керамических нагревателях с ПТК

Для установления влияния средств электронагрева на расход топлива и токсичность выбросов дизельных двигателей проводились исследования на обкаточно-тормозном стенде КИ-5274 в штатной комплектации. Все системы и механизмы двигателя были проверены и отрегулированы в соответствии с инструкцией по их эксплуатации. Экспериментальный обкаточно-тормозной стенд КИ-5274 включал: дизель СМД-60 с системой отвода отработанных газов, динамометрическую машину КS-56/4 и измерительно-вычислительный комплекс.

В ходе исследований использовали зимнее дизельное топливо
(ГОСТ 305–82) с плотностью = 811 кг/м3.

Результаты экспериментальных исследований подвергались статистической обработке с нахождением аппроксимирующих зависимостей в программе TableCurve 5.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований и их анализ» представлены результаты экспериментальных исследований электро- и теплофизических параметров ЭТН, керамических нагревателей с ПТК, а также исследования рабочих параметров системы терморегулирования топлива и питающего воздуха.

Показано, что распределение температурного поля на поверхности ЭТН соответствует распределению эквипотенциальных линий. В процессе экспериментальных исследований определены ВАХ
ЭТН на основе различных материалов: цемента с 2%-ным добавлением парафина (8); парафина (9); воска (10).

I1 = (U – 0,1)/5,97; (8)

I2 = (U – 0,1)/3,725; (9)

I3 = (U – 0,1)/2,65. (10)

ВАХ ЭТН имеет линейный вид и сохраняет свою линейность при любой температуре, причем это относится ко всему диапазону температур, характерных для рабочих режимов подогрева дизельного топлива. На рисунке 6 представлено распределение температурного поля при расстоянии между электродами, равном 2 и 4 см. Перепад температур составляет 7°С (для 2 см) и 15°С (для 4 см).

Для электропитания устройства терморегулирования топлива с ЭТН необходимо напряжение 12 … 24 В, которое соответствует напряжению большинства систем электроснабжения мобильного транспорта. Это позволяет его использовать без специальных преобразователей.

Рисунок 6

– Распределение температурного поля на поверхности ЭТН

Согласно экспериментальным исследованиям установлен двойной фазовый переход ЭТН (рис. 7), выраженный в выделении теплоты, которая для первого фазового перехода составляет 600 Дж, а для второго 300 Дж. При этом температура фазового перехода, определенная путем построения подкасательных, равна 54°С.

Рисунок 7

– Температурная зависимость теплоемкости ЭТН

Появление второго фазового перехода, не свойственного диэлектрическому материалу (парафину), можно отнести к процессу адсорбции (физиосорбции). В то же время, увеличение твердости парафина может служить основанием для предположения об изменении кристаллической структуры парафина, вследствие чего возросло значение количества тепла, требуемое для смены кристаллической структуры на аморфную.

Исследования керамических нагревателей с ПТК показали (рис. 8), что уменьшив уровень питающего напряжения, при включении до значения, при котором не происходит фазовый переход, можно значительно уменьшить пусковой ток (точки 1а и 1б). При этом необходимо поддержать уровень такого напряжения до тех пор, пока не произойдет разогрев керамического нагревателя и теплообменного устройства. Точки 2а и 2б соответствуют выходу на рабочий режим, что является следствием завершения фазового перехода первого рода, 3а и 3б соответствуют процессу естественного спада тока, что вызвано физическими явлениями на молекулярном уровне.

Исследования устройств терморегулирования топлива и питающего воздуха, проведенные на моторной установке, позволили установить влияние температуры топлива и питающего воздуха на рабочие параметры дизельного двигателя. В соответствии с результатами этих исследований, установлено, что для дизельного топлива благоприятным диапазоном является интервал от +20 до +50°С. При этом наименьшие энергетические затраты на терморегулирование соответствуют температурному режиму со значением около +20°С с разбросом в 10°С.

------- при постоянном уровне напряжения;

–––– с промежуточным напряжением

Рисунок 8

– Изменение силы тока керамических нагревателей
с ПТК во времени

Установлена целесообразность совместного терморегулирования топлива и питающего воздуха, так как при этом достигаются наилучшие энергоэкологические показатели при пуске и холостом ходу для дизельного двигателя. Снижение расхода топлива на прогрев при холостом ходе составляет 38 %.

Путем аппроксимации экспериментальных данных получены аналитические зависимости для токсичных компонентов в выхлопных газах двигателя (CМД-62) от температуры Т топлива окиси углерода СО и углеводородов СН, при температуре питающего воздуха +30°С:

М(СО) = (12,011 + 0,347 T + 0,0088 T 2)/(1 + 0,1029 T + 0,0089 T 2); (11)

М(СН) = (0,593 + 0,000959 T)/(1 + 0,0232T + 0,000287 T 2). (12)

Отклонение результатов математического моделирования от экспериментальных данных находится в диапазоне от 8 до 16%, что позволяет утверждать о достоверности математического описания.

В пятой главе «Практическое использование и экономическая
эффективность результатов исследований» представлены результаты производственных испытаний и технико-экономическое обоснование. Система терморегулирования топлива и питающего воздуха в дизельных двигателях прошла производственные испытания на предприятии ООО «Керамдор» г. Тамбов, где продемонстрировала высокую эффективность при низких температурах окружающей среды, и была внедрена на ООО «Знаменское» с. Знаменка Токаревского р-на Тамбовской области.

Проведенные производственные испытания работы дизельного двигателя при терморегулировании топлива и питающего воздуха показали улучшение его характеристик, в частности снижение расхода топлива
на пуск и прогрев на 38%, токсичности по СО на 15, СН на 20 и дымности на 17 %.

Оценка экономической эффективности от внедрения показала, что годовой экономический эффект для одной технической единицы с дизельным двигателем А-41 составляет 19 962,5 р., чистая прибыль 15 171,5 р., индекс доходности 2,434 р. и чистый дисконтированный доход 8604 р.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1.  разработано устройство терморегулирования для дизельного топлива с нагревательными элементами на базе наноструктурного углерода, обладающими свойствами теплоаккумулирования, стабильностью энергетических параметров в условиях работы дизельного двигателя и возможностью плавного регулирования температуры в диапазоне от +30 до +50°С.

2.  Разработано математическое описание энергетических параметров нагревательного элемента на основе наноструктурного углерода с использованием дифференциального уравнения Пуассона в частных производных и граничных условий Дирихле. Выявлено, что расположение электродов, к которым подводится питающее напряжение, существенно влияет на объемное выделение теплоты нагревательными элементами.

3.  Установлено, что для исключения фазового перехода в материале керамических нагревателей с положительным температурным коэффициентом с целью нормализации пускового тока необходимо промежуточное напряжение.

4.  Установлена целесообразность совместного терморегулирования топлива и питающего воздуха, при этом достигается наилучшая топливная экономичность при прогреве на холостом ходу для дизельного двигателя, которая составляет 38%.

5.  Проведенные производственные испытания работы дизельного двигателя при терморегулировании топлива и питающего воздуха показали улучшение его характеристик, в частности снижение токсичности
СО на 15%, СН на 20% и дымности на 17%. Оценка экономической эффективности от внедрения показала, что годовой экономический эффект составляет 19 962,5 р., чистая прибыль 15 171,5 р., индекс доходности 2,434 р. и чистый дисконтированный доход 8604 р.

Основное содержание диссертации
отражено в следующих публикациях

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Kalinin, V.F. Simulators of joint working modes of fuel and feed air temperature control means in diesel engines / V.F. Kalinin, A.V. Shchegolkov // Aspects of modern science and practice. University named after V.I. Vernadskij. – 2010. – № 1 – 3(28). – P. 23 – 27.
2. Калинин, В.Ф. Снижение токсичности выбросов дизельных двигателей путем применения электроадаптивной системы термостабилизации топлива / В.Ф. Калинин, А.В. Щегольков // Вопросы современной науки
   и практики. Университет им. В.И. Вернадского. – 2008. – № 3 – 2(13). –
   С. 173 – 178.
3. Набатов, К.А. Математическая модель саморегулируемого электронагрева охлаждающей жидкости в двигателях / К.А. Набатов, А.В. Щегольков, С.В. Кочергин // Вестник Тамбовского государственного университета. – Тамбов, 2004. – Т. 9, № 4. – С. 493 – 496.
4. Электронагревательное устройство для тракторных и автомобильных двигателей / А.М. Шувалов, С.В. Кочергин, П.А. Телегин, А.В. Щегольков // Сельский механизатор. – 2006. – № 9. – С. 36.
5. Режимы работы электронагревательного устройства охлаждающей жидкости при различных видах циркуляции / А.М. Шувалов, С.В. Кочергин, П.А. Телегин, А.В. Щегольков // Вестник Московского государственного аграрного университета им. В.П. Горячкина. – 2007. – Т. 3/2 (23). –
   С. 130 – 132.
6. Шувалов, А.М. «Кочегарка» для двигателей / А.М. Шувалов,
   А.В. Щегольков, П.А. Телегин // Сельский механизатор. – 2007. – № 11. –
   С. 48.

Публикации в сборниках научных трудов и материалах конференций

7. Калинин, В.Ф. Система электронагрева питающего воздуха и
   терморегулирования топлива в дизельных двигателях / В.Ф. Калинин,
   А.В. Щегольков // Вестник Тамбовского государственного технического университета. – Тамбов, 2009. – Т. 15, № 2. – С. 396 – 400.
8. Калинин, В.Ф. Повышение энергоэкологической эффективности дизельных двигателей путем терморегулирования топлива и моторного
   масла / В.Ф. Калинин, А.В. Щегольков // XV Междунар. науч.-практ. конф. «Транспорт, экология – устойчивое развитие». Ековарна, 21 – 23 мая. –
   Варна, 2009. – С. 431 – 440.
9. Калинин, В.Ф. Электро-аэродинамическая система облегчения
   запуска двигателей внутреннего сгорания / В.Ф. Калинин, К.А. Набатов, А.В. Щегольков // Материалы Всерос. науч.-практ. конф. «Актуальные проблемы агропромышленного комплекса» / ФГО Ульяновская ГСХА. – Ульяновск, 2008. – с. 78 – 80.
10. Калинин, В.Ф. Исследование конструктивных параметров устройства разогрева двигателей автотракторной техники на основе метода конечных элементов / В.Ф. Калинин, А.В. Щегольков // Повышение эффективности использования ресурсов аграрными товаропроизводителями : сб.
    науч. тр. ГНУ ВИИТиН. – Тамбов : ГНУ ВИИТиН, 2006. – Вып. 11. –
    с. 11 – 19.
11. Щегольков, А.В. Повышение эффективности эксплуатации автотракторной техники в зимний период / А.В. Щегольков // Повышение
    эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции : сб. науч. докл. XIV междунар. науч.-практ. конф. / А.В. Щегольков. – Тамбов : ГНУ ВИИТиН, 2007. – Ч. 2. – с. 50–51.
12. Щегольков, А.В. Методика экспериментальных исследований электро-тепловых процессов ДВС / А.В. Щегольков // Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции : сб. науч. докл. XIV междунар. науч.-практ. конф. – Тамбов : ГНУ ВИИТиН, 2007. – Ч. 2. – с. 55 – 57.
13. Калинин, В.Ф. Разработка электро-аэродинамической системы
    облегчения запуска двигателей внутреннего сгорания / В.Ф. Калинин,
    А.В. Щегольков // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском
    хозяйстве : тр. 6-й Междунар. науч.-техн. конф., г. Москва, 14 мая 2008 г. / Всерос. науч.-исслед. ин-т электрификации сел. хоз-ва. – М., 2008. – Ч. 2. –
    С. 302 – 307.
14. Щегольков, А.В. Аэродинамический разогрев автотракторной техники в период зимней эксплуатации / А.В. Щегольков // Труды ТГТУ. – Тамбов, 2006. – № 19. – с. 112 – 114.

Патенты на изобретение

15. Пат. 2309287 Российская Федерация, МПК7 F 02 N 17/04. Устройство для облегчения запуска двигателя внутреннего сгорания / А.М. Шувалов, А.В. Щегольков, С.В. Кочергин ; заявитель и патентообладатель Гос. науч. учреждение ВИИТиН. – № 2006120004/06 ; заявл. 07.06.06 ; опубл. 27.10.07, Бюл. № 17. – 5 c.
16. Пат. 2398126 Российская Федерация, МПК7 F 02 М 31/125. Система терморегулирования топлива и моторного масла в дизельных двигателях / В.Ф. Калинин, А.В. Щегольков ; заявитель и патентообладатель Гос. науч. учреждение ТГТУ. – № 2009115275/06; заявл. 21.04.09 ; опубл. 27.08.10, Бюл. № 24. – 8 c.