Geum.ru
Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям

На правах рукописи

Романов Виктор Анатольевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ПУТЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ АККУМУЛЯТОРОВ ЭНЕРГИИ

05.04.02 - тепловые двигатели

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Барнаул - 2011

Работа выполнена в ОАО л15 центральный автомобильный ремонтный завод

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Кукис Владимир Самойлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Куколев Максим Игоревич;

доктор технических наук, профессор Федянин Виктор Яковлевич;

доктор технических наук, профессор Фомин Валерий Михайлович

Ведущая организация: ОАО НИИ Автотракторной техники

Защита состоится 02 ноября 2011 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.004.03 при Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова по адресу: 656038, г. Барнаул, пр. Ленина (тел/факс (3852) 260-516; E-mail: D21200403@mail.ru).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного технического университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан л 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета А.Е. Свистула доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Важнейшую роль в решении проблемы энергетической безопасности России играют двигатели внутреннего сгорания (ДВС) и, прежде всего, поршневые, которые являются самыми многочисленными среди тепловых двигателей и источников энергии, потребляемой человечеством. Повышение эффективности поршневых ДВС (ПДВС) предполагает улучшение их основных показателей, к которым в первую очередь, следует отнести мощностные, экономические и экологические. Однако улучшение названных показателей является серьезной проблемой, обусловленной рядом обстоятельств. Прежде всего, современные ПДВС обеспечивают превращение в полезную работу не более 45-46 % термохимической энергии топлива. Остальная теряется либо с поверхности двигателя и его систем, либо (в основном) с уходящими из него отработавшими газами (ОГ), которые содержат, к тому же, большое количество токсичных веществ. Необходимо совершенствование систем наддува и систем пуска двигателей при низких температурах окружающей среды.

Сказанное свидетельствует о существовании противоречия между безальтернативной сегодня потребностью человечества продолжать широкое использование ПДВС для своих нужд, с одной стороны, и значительными потерями энергии с их ОГ, вредным воздействием ОГ на человека и окружающую среду (ОС), а также сложностью пуска этих двигателей при низких температурах - с другой. Как показал проведенный в первой главе диссертации анализ, это противоречие, может быть сглажено уменьшением колебания температуры рабочего тела в различных системах двигателя и вопросы дальнейшего повышения эффективности ПДВС во многом связаны (объединены) одной общей научной проблемой - проблемой стабилизации температуры рабочего тела или процесса передачи потока энергии (в форме теплоты) в тех или иных системах.

Цель настоящего исследования - повысить эффективность ПДВС, используя принцип аккумулирования энергии для стабилизации температуры рабочего тела или процесса передачи потока теплоты в различных системах двигателя.

Гипотеза исследования. Используя принцип аккумулирования энергии с помощью тепловых накопителей можно стабилизировать температуру рабочего тела (РТ) в системе наддува, утилизировать потери теплоты с ОГ, снизить их токсичность и повысить надежность пуска в условиях низких температур, обеспечив тем самым повышение эффективность ПДВС.

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

1. Рассмотреть физическую, термодинамическую природу процессов демпфирования (стабилизации) колебаний температуры рабочего тела в сис темах наддува, нейтрализации отработавших газов и стабилизации теплового потока в системах утилизации теплоты отработавших газов поршневых ДВС или продуктов сгорания теплогенерирующих установок и составить их математическое описание.

2. Для систем наддува, утилизации теплоты отработавших газов поршневых ДВС и продуктов сгорания теплогенерирующих установок определить целесообразную температуру рабочего тела и процесса передачи теплового потока.

3. Разработать и изготовить опытные образцы соответствующих стабилизаторов температуры рабочего тела и процесса передачи теплового потока.

4. Провести экспериментальные исследования на моделях и двигателях с целью проверки адекватности разработанных математических моделей процессов демпфирования колебаний температуры рабочего тела в системах наддува, нейтрализации отработавших газов и стабилизации теплового потока в системах утилизации теплоты отработавших газов поршневых ДВС и продуктов сгорания теплогенерирующих установок.

5. Оценить эффект от демпфирования температуры рабочего тела в системах наддува, нейтрализации отработавших газов и стабилизации теплового потока в системах утилизации теплоты отработавших газов поршневых ДВС и продуктов сгорания теплогенерирующих установок.

Объектом исследования служили:

- энергетические процессы в системах аккумулирования энергии (содержащих теплоаккумулирующее вещество (ТАВ), находящееся в состоянии фазового перехода), обеспечивающих стабилизацию температуры рабочего тела для повышения эффективности процессов, происходящих либо с помощью этих тел, либо непосредственно в этих телах;

- рабочие процессы дизелей ЯМЗ-8424 и КамАЗ-740, а также процессы в технической системе, объединяющей отопитель ОВ-65Б и утилизационную стирлинг-электрическую установку (СЭУ), работающую за счет теплоты ПС, выбрасываемых из отопителя.

Предметом исследования являлись закономерности изменения:

- температуры наддувочного воздуха (НВ) при прохождении его через стабилизатор температуры и параметров рабочего процесса дизеля ЯМЗ-8424 в зависимости от температуры свежего заряда;

- температуры ОГ дизеля КамАЗ-740 при прохождении их через стабилизатор температуры и влияние этих изменений на эффективность снижения концентрации токсичных веществ в каталитическом нейтрализаторе (КН);

- энергетических характеристик ОГ дизеля КамАЗ-740 в результате оборудования его выпускной системы КН с утилизатором теплоты и подачей дополнительного воздуха в нейтрализатор, а также изменения за счет этого мощностных, экономических и экологических показателей СУ, включающей двигатель КамАЗ-740 и СЭУ, утилизирующую теплоту ОГ дизеля;

- энергетических характеристик работы отопителя ОВ-65Б и утилизационной СЭУ, оборудованной системой стабилизации температуры процесса подвода теплоты от ПС к рабочему телу двигателя Стирлинга (ДС).

Методика и методы исследования. Методика исследования предусматривала сочетание натурных испытаний с численным экспериментом. Исследования были проведены на основе использования методов теории двигателей, термодинамического анализа и математического моделирования, математической и статистической обработки экспериментальных результатов.

Обоснованность и достоверность результатов исследования подтверждается достаточным объемом экспериментов; применением комплекса современных, информативных и объективных методов исследования, соответствующих государственным стандартам; использованием современной измерительной аппаратуры, систематической её проверкой и контролем погрешностей; подтверждением теоретических результатов экспериментальными, а также сопоставлением полученных результатов с данными других исследователей.

Научную новизну имеют следующие положения, выносимые на защиту:

- Термодинамическая модель, описывающая энергетические процессы, происходящие в системах стабилизации температуры НВ во впускном тракте комбинированного двигателя после компрессора и ОГ в выпускном тракте ПДВС перед КН.

- Способ определения температуры НВ, 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.

- Понятие линтегральный коэффициент эффективности нейтрализации, суммарно учитывающий результаты изменения степеней превращения токсичных веществ в ОГ ПДВС после их прохождения через КН и способ определения температуры ОГ, при которой обеспечивается максимальное значение интегрального коэффициента эффективности нейтрализации токсичных веществ, содержащихся в ОГ.

- Оценка работоспособности ОГ ПДВС, газов, уходящих из КН и ПС, выбрасываемых в атмосферу теплогенерирующими установками и рассматриваемых в качестве источника энергии для привода утилизационной установки.

- Основные положения системно-термодинамического подхода к изучению энергетических процессов в установках двухуровневого использования теплоты, включающих теплогенерирующие установки мобильной техники в качестве высокопотенциального преобразователя теплоты и утилизационную СЭУ как преобразователь теплоты с меньшим термическим потенциалом;

сформулированы принципы качественной оценки эффективности элементов названных установок с наибольшей возможной полнотой и отчетливостью позволяющие установить причины существования лузких мест исследуемой технической системы, их происхождение и физическую природу.

Практическая ценность работы состоит в достигнутых результатах при создании, реализации и исследовании технических систем, обеспечивающих:

- повышение эффективности наддува ПДВС путем стабилизации температуры свежего заряда;

- улучшение экологических показателей ПДВС путем стабилизации температуры процессов в КН на оптимальном уровне;

- повышение мощностных, экономических и улучшение экологических показателей ПДВС путем стабилизации температуры процесса передачи теплоты к рабочему телу утилизационной установки и процессов в КН;

- обеспечение электрической автономности теплогенерирующих установок с целью облегчения пуска поршневых ДВС в условиях низких температур окружающей среды.

Новизна предложенных технических решений подтверждена восемью Патентами на полезную модель.

Результаты исследования могут быть использованы при создании новых и модернизации существующих ПДВС и комбинированных двигателей, предпусковых подогревателей и отопителей, при проведении НИР и ОКР, а также в учебном процессе.

Реализация результатов работы. Материалы диссертации используются и внедрены: в ОАО КамАЗ; ОАО Шадринский автоагрегатный завод; НПК Агродизель (г. Москва); НИИИ 21 МО РФ (г. Бронницы); Челябинском высшем военном автомобильном командно-инженерном училище (военном институте).

Апробация работы. Материалы диссертации были доложены и одобрены:

- на XII, XIV и XV международных конгрессах двигателестроителей (Харьков-Рыбачье, 2007, 2009, 2010); IV международном технологическом конгрессе Военная техника, вооружение и современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения (Омск, 2007); Международной научно-технической конференции Улучшение эксплуатационных показателей автомобилей, тракторов и двигателей (Санкт-Петербург, 2008); II съезде инженеров Сибири (Омск, 2008); Международной научной конференции Многоцелевые гусеничные и колесные машины: актуальные проблемы и пути их решения (Челябинск, 2008); Международных Форумах по проблемам науки, техники и образования (Москва, 2008, 2009); XLVIII Международной научнотехническая конференции Достижения науки агропромышленному производству (Челябинск, 2009); Международной научно-практической конференции Проблемы и перспективы развития Евроазиатских транспортных систем (Челябинск, 2009); Международной научно-технической конференции Проблемы эксплуатации и обслуживания технологических машин (Тюмень, 2009);

- Всероссийской научно-практическая конференции с международным участием Приоритетные направления науки и техники, прорывные и критические технологии: энергетические, экологические и технологические проблемы экономики (ЭЭТПЭ-2007) (Барнаул, 2007); Второй всероссийской научно-практической конференции с международным участием Энергетические, экологические и технологические проблемы экономики (Барнаул, 2008); IV Всероссийской научно-техническая конференции Политранспортные системы (Новосибирск, 2009); XIII Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы: Фундаментальные исследования и инновации в технических университетах (Санкт-Петербург, 2009);

- IV Межрегиональной научно-практической конференции Многоцелевые гусеничные и колесные машины: разработка, производство, модернизация, эксплуатация, боевая эффективность, наука и образование Броня 2008 (Омск, 2008), Межрегиональной научно-технической конференции с международным участием Повышение эффективности многоцелевых колесных и гусеничных машин (Челябинск, 2010);

- Юбилейной научно-технической конференции, посвященная 40-летию кафедры двигателей ЧВВАКИУ Повышение эффективности силовых установок колесных и гусеничных машин (г. Челябинск, 2008); на научно-методических семинарах с участием сотрудников кафедр двигателей, ремонта и эксплуатации военной автомобильной техники Челябинского высшего военного автомобильного командно-инженерного училища (Челябинск, 2004-2010); заседаниях НТС ОАО НИИ автотракторной техники (г. Челябинск, 2004-2011);

научных семинарах НТС НПК Агродизель (г. Москва, 2005, 2006, 20082010).

Публикации. По теме диссертации опубликованы две монографии, научных статей, в том числе 15 - в изданиях, рекомендованных ВАК, и получено девять патентов на полезную модель.

Объем и содержание работы. Диссертация содержит 395 с., включающих 157 рисунков, 47 таблиц и состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы (302 наименования) и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показаны актуальность темы диссертации, цель и задачи исследования, его научная новизна и практическая ценность, конкретизированы объект и предмет исследования, приведены научная новизна и основные положения работы, выносимые автором на защиту, дана общая характеристика диссертационного исследования.

В первой главе проведен анализ современных проблем и путей повышения эффективности ПДВС, который показал, что вопросы повышения эффективности ПДВС путем использования наддува, утилизации потерь теплоты с ОГ, уменьшения вредного воздействия этих двигателей на человека и ОС, а также улучшения их пусковых свойств во многом объединены общей проблемой - проблемой стабилизации температуры рабочего тела или процесса передачи потока энергии (в форме теплоты) в тех или иных системах. Показано, что стабилизировать температуру рабочего тела или процесса передачи потока теплоты в рассмотренных выше системах и тем самым повысить эффективность ПДВС, можно используя принцип аккумулирования энергии.

Рассмотрены два возможных направления использования систем аккумулирования энергии как средства повышения эффективности ПДВС. В первом случае эти системы можно использовать для обеспечения стабилизации температуры рабочего тела с целью повышения эффективности процессов, происходящих либо с помощью этих тел, либо непосредственно в этих телах. Системы этого типа позволяют при работе ПДВС на различных режимах обеспечить стабилизацию температуры: а) НВ на уровне, целесообразном с точки зрения компромисса между мощностными, экономическими показателями, механической, тепловой нагруженностью деталей и узлов дизеля, а также экологическими показателями ОГ двигателей; б) ОГ на уровне, обеспечивающем высокую эффективность снижения концентрации токсичных веществ в КН.

Системы аккумулирования энергии второй группы обеспечивают стабилизацию температуры процесса передачи теплоты от ОГ ПДВС или ПС, выбрасываемых в атмосферу теплогенерирующими установками в устройства, предназначенные для ее последующей трансформации в работу В заключение главы формулируются цель и задачи диссертационного исследования.

Во второй главе приводятся предлагаемые автором технические решения задачи повышения эффективности ПДВС путем использования тепловых аккумуляторов энергии, разработанная термодинамическая модель и математическое описание процессов стабилизации температуры рабочего тела.

На рис. 1 приведена принципиальная схема системы стабилизации температуры надувочного воздуха (СТНВ) на оптимальном уровне при работе дизеля на переменных режимах, режимах малых нагрузок и холостого хода.

Рис. 1. Принципиальная схема системы стабилизации температуры НВ:

1 - дизель; 2 - выпускные коллекторы; 3 - СТНВ; 4 - газовая турбина; 5 - регулирующая заслонка; 6 - патрубок подвода ОГ к СТНВ; 7 - управляющий блок; 8 - компрессор; 9 - ТАВ; 10 - полость для прохода ОГ; 11 - температурный датчик; 12 - впускные коллекто ры; 13 - трубопровод; 14 - клапан; 15 - управляющий блок Принцип работы предлагаемой системы изложен в Патенте РФ на полезную модель № 64291 и подробно рассмотрен в диссертации.

Решение задачи повышения экологических показателей ПДВС путем стабилизации температуры ОГ газов в КН может быть решено при установке стабилизатора температуры ОГ (СТОГ) непосредственно перед КН (рис. 2.).

Рис. 2. Каталитический нейтрализатор, совмещенный со стабилизатором температуры ОГ:

1 - стабилизатор температуры отработавших газов;

2 - каталитический нейтрализатор Комплексное техническое решение вопроса повышения мощностных, экономических и улучшения экологических показателей ПДВС может быть обеспечено путем использования КН, оборудованного утилизационной установкой. На рис. 3 показана принципиальная схема предложенной автором системы, включающая КН с утилизационной СЭУ и дополнительной подачей воздуха в нейтрализатор (Патент РФ на полезную модель № 95359).

Важной спецификой этой системы является то, что часть вырабатываемой СЭУ электрической энергии идет на привод нагнетателя воздуха, который подает воздух в КН для повышения эффективности протекания каталитических процессов. Кроме того, поступающий во впускной патрубок воздух обеспечивает эжекцию ОГ, чем уменьшает противодавление в выпускной системе. При этом нагреватель ДС оборудован системой стабилизации температуры процесса передачи теплоты (ССТППТ) от ПС к рабочему телу стирлинга Рис. 3. Каталитический нейтрализатор, совмещенный с утилизационной СЭУ, оборудованной системой стабилизации температуры процесса передачи теплоты и подачи воздуха в патрубок входа ОГ:

1 - каталитический нейтрализатор; 2, - утилизационная СЭУ;3 - нагнетатель воздуха Решение задачи обеспечения пуска ПДВС в условиях низких температур окружающей среды принципиально возможно путем создания автономных, с электрической точки зрения, теплогенерирующих установок. В настоящей работе была использована система СТППТ от ПС к рабочему телу утилизационной СЭУ, аналогичная показанной на рис. 3. Схема такой технической системы представлена на рис. 4.

Рис. 4. Отопитель ОВ-65Б, совмещенный с утилизационной СЭУ на базе двигателя ДС 5,5/2,1: 1 - отопитель; 2 - камера догорания; 3 - ТАВ; 4 - стабилизатор температуры процесса перепередачи теплоты к ДС; 5 - СЭУ На рис. 5 показаны схемы процессов стабилизации температуры рабочего тела, происходящие в описанных выше системах.

а б Рис. 5. Принципиальная схема процессов стабилизации температуры рабочего тела в случаях, когда Трт ср. Ттав ср. (процесс заряда ТАВ) - а и Трт ср.<Ттав ср (процесс разряда ТАВ) - б В главе рассмотрены все возможные варианты состояния ТАВ, однако практический интерес для достижения цели настоящей работы имеет ситуация, при которой ТАВ находится в состоянии фазового перехода. В этом случае в основу математического описания процесса заряда была положена система, включающая уравнения:

теплового потока, отдаваемого рабочим телом ТАВ:

Qз = Gзртср рт (Тз - Тз ), кДж/с, (1) рт рт вх. рт вых.

теплового потока, передаваемого от рабочего тела к ТАВ через внутреннюю стенку стабилизатора температуры:

з Qз = Qз = k ст d1 (Tрт ср. - Тпл ), кДж/с, (2) рт тав тав и количества теплоты, полученного ТАВ в единицу времени:

вых dстав Qз = mтав Тпл, кДж/с. (3) тав тав d В формулах (3.1)-(3.3): Gз - массовый расход рабочего тела, проходярт щего через стабилизатор температуры, кг/с; ср рт - изобарная средняя удельная массовая теплоёмкость рабочего тела, проходящего через стабилизатор температуры, кДж/(кгК); Тз вх. и Тз вых. - соответственно температуры рабочерт рт го тела на входе в стабилизатор и на выходе из него, К; k - линейный кост эффициент теплопередачи от рабочего тела к ТАВ через внутреннюю стенку стабилизатора, Вт/(мК); d1 - внутренний диаметр стабилизатора температуры, м; Тпл - температура плавления ТАВ, К; mтав - масса ТАВ, кг; став - средтав няя удельная массовая теплоемкость ТАВ, кДж/(кгК); вых - время, за которое рабочее тало проходит через стабилизатор.

Описание процесса разряда включало уравнения теплового потока, полученного рабочим телом от ТАВ Qр = Gр ср рт (Тр - Тр ), кДж/с, (4) рт рт рт вых. рт вх.

и теплового потока, передаваемого рабочему телу от жидкой фазы ТАВ через двойную твердую стенку (твердая фаза ТАВ, внутренняя стенка стабилизатора температуры) и теплоты фазового перехода, выделяющейся при затвердевании жидкой фазы ТАВ:

dxжф Qр = k стd1 (Тпл - Тр ср.) + rфп Fц, кДж/с, (5) рт тав рт тав тф d ст где k, - линейный коэффициент теплопередачи через двухслойную твердую цилиндрическую стенку (твердая ТАВ, внутренняя стенка стабилизатора температуры), Вт/(мК); - среднее значение температуры рабочего тела, Тр ср.

рт проходящего через стабилизатор, К; хжф - толщина жидкого слоя ТАВ (м), затвердевшего за время , с; Fц - средняя площадь цилиндрической части затвердевшей жидкой фазы ТАВ, м2.

Формулы (3.1)-(3.5) в диссертации дополнены 17 зависимостями, позволившими замкнуть систему уравнений.

В третьем разделе второй главы рассмотрено термодинамическое и математическое описание процессов стабилизации температуры процесса передачи теплоты от ее источника к рабочему телу утилизационной системы (на примере утилизационной СЭУ). На рис. 6 показана принципиальная схема процессов энергообмена в этом случае.

а б Рис. 6. Принципиальная схема процессов энергообмена между ОГ, промежуточным теплоносителем и рабочим телом двигателя СЭУ в случаях, когда Тог Тпт (а) и Тог Тпт (б): 1 - система стабилизации температуры процесса передачи теплоты; 2 - промежуточный теплоноситель (ТАВ); 3 - двигатель утилизационной СЭУ Характерной особенностью рассматриваемой ситуации является то, что теплота передается от ОГ к рабочему телу двигателя утилизационной СЭУ для трансформации в нем в работу. Поэтому важен анализ не просто количества энергии, передаваемой в форме теплоты, а количества передаваемой эксергия.

Поэтому энергия ОГ, выходящих из цилиндра двигателя, рассматривалась в виде суммы Еог=Аог+ЕхТ ог+Ехр ог+Еххк ог+Еххр ог, (6) где Аог - анергия потока теплоты; ЕхТ ог - термическая эксергия потока теплоты; Ехр ог - механическая эксергия ОГ; Еххк ог - химическая концентрационная эксергия ОГ; Еххр ог - химическая концентрационная эксергия ОГ.

Из перечисленных составляющих технически доступными в настоящее время средствами можно утилизировать эксергию теплового потока и механическую эксергию. Вопросы утилизации последней достаточно эффективно решены в практике двигателестроения и в настоящем исследовании не рассматриваются.

При рассмотрении утилизации энергии теплового потока было допущено, что в идеальном случае вся теплота, отведенная от ОГ, подводится к протав межуточному теплоносителю (ТАВ) и к рабочему телу ДС, т.е. qог =qтав=qдс.

Сказанное, однако, не может относиться к эксергии. Указанный переход теплоты происходит в условиях существования конечной разности температур тел, обменивающихся теплотой, что вызывает потерю (диссипацию) эксергии. В результате ТАВ будет получать меньшее количество эксергии, чем было отдано ОГ. Величина ех зависит от доли теплоты, отводимой от ОГ ТАВ для последующей утилизации в ДС (q).

На рис. 7 показана зависимость рассматриваемых составляющих энергии потока ОГ в безразмерном виде для условий Тог = 1000 К; Тос = 293 К (масшта бом отнесения служило произведение индивидуальной газовой постоянной ОГ тав на температуру ОС) от q. Как видно, qог с ростом q линейно увеличивается.

Увеличивается и ехт ог, хотя снижение среднетермодинамической температуры процесса теплоотвода обусловливает постепенное уменьшение d ехтав /dq.

тог Рис. 7. Процесс охлаждения отработавших газов и передачи энергии теплоаккумулирующему веществу стабилизатора ТАВ ог температуры ТАВ ог Кривая же ехтам = (q) имеет экстремум и после достижения максимума (при q0,6) количество эксергии, которое передается ТАВ, резко убывает.

Соответственно увеличивается диссиТАВ пация эксергии теплоты, которая ему передается. Это свидетельствует о том, что использование теплоты ОГ при высоких значениях q целесообразно лишь для нужд отопления, так как она становится все менее пригодной для превращения в работу и при q =1,0 совершенно теряет способность трансформироваться в нее.

Эксергия, переданная от ТАВ к рабочему телу ДС, предназначена для дальнейшего преобразования в механическую энергию. Термодинамическая эффективность преобразований, происходящих во внутреннем контуре ДС, оценивается его индикаторным эксергетическим КПД:

ехдс - ехохл ехохл i i ех = = = 1-. (7) ехдс ехдс ехдс где - удельная индикаторная работа цикла.

i max На рис. 8 показано изменение i ех в функции Тдс = Тmax / Тос и q (в расдс четах принято Тmin = 330 К). Как видно, до значений относительной максимальдс ной температуры рабочего тела, равной 1,7 (что соответствует q = 0,65) эксергетический КПД существенно увеличивается, достигая 80 %, затем его рост замедmax ляется и при Тдс = 3,13 (при Тmax =Тог) составляет 94 %.

дс Рис. 8. Зависимость работы цикла и индикаторного эксергетического КПД двигателя Стирлинга от максимальной температуры его рабочего тела и доли теплоты отработавших газов, переданной во внутренний контур Иной характер имеет изменение работы цикла (на рис. 8 она показана в относительной форме: масштабом отнесения служило произведение индивидуальной газовой постоянной на Тос). Объясняется это тем, что с ростом относительной максимальной температуры рабочего тела количество эксергии, подводимой к нему не увеличивается непрерывно, а изменяется по закону, показанному на рис. 8. Совместный учет термодинамической эффективности цикла и количества введенной в него эксергии приводит к тому, что с max увеличением Тдс от 1,0 до 1,9 относительная работа цикла интенсивно растет, достигая значения 1,7, затем практически столь же интенсивно уменьшается и при Тmax =Тог становится равной нулю. Связано это с тем, что в этот модс мент рабочее тело ДС перестает получать эксергию от ТАВ и превращать в работу становится нечего. Если (как было принято ранее) считать Тос=293 К, то получается, что работа цикла достигает максимума при Тmax =557 К (264 0С).

дс Очевидно, что такой максимальной температуры рабочего тела недостаточно, для работы реального ДС, в котором часть вырабатываемой мощности расходуется на преодоление механического трения и гидравлических сопротивлений во внутреннем контуре. Поэтому практически работа ДС возможна при max Тдс >2,3, а температура плавления ТАВ должна быть несколько выше 700 К.

В третьей главе рассмотрены программа, методика экспериментального исследования и экспериментальные установки.

Для исследования температуры НВ при прохождении его через стабилизатор температуры и параметров рабочего процесса дизеля ЯМЗ-8424 в зависимости от температуры свежего заряда в состав экспериментальной установки входили: дизель ЯМЗЦ8424с газотурбинным наддувом и системой воздухоснабжения, которую можно было оборудовать либо штатным водовоздушным ОВН воздуха, либо опытным СТНВ; испытательный стенд 1DSЦ1036kV с измерительной аппаратурой; приборы для определения мощностных, экономических показателей двигателя и индицирования рабочего процесса.

Для исследования энергетических характеристик ОГ дизеля КамАЗ-740 в результате оборудования его выпускной системы КН со СТОГ или с утилиза тором теплоты и подачей дополнительного воздуха в нейтрализатор, а также изменения за счет этого мощностных, экономических и экологических показателей СУ, испытательный стенд оборудовался соответствующими системами и приборами.

Утилизатором теплоты ОГ служила СЭУ с двигателем Стирлинга ДС 5,5/2,1 (рис. 9).

Рис. 9. Внешний вид утилизационной стирлингэлектрической установки с двигателем ДС 5,5/2,Подробное описание экспериментальных установок, приборов и систем приведено в содержании главы.

В четвертой главе приведены результаты экспериментального исследования вопросов повышения эффективности ПДВС стабилизацией температуры НВ и ОГ.

Прежде всего, была выполнена оценка влияния температуры НВ на:

итровую эффективную мощность двигателя (Nел), удельный эффективный расход топлива, продолжительность процесса сгорания (z), максимальное давление рабочего тела (рz), максимальную скорость нарастания давления (лжесткость - Wр max), коэффициент избытка воздуха (), критерий тепловой нагруженности (Кт) и содержание твердых частиц (ТЧ) в ОГ.

На рис. 10, в качестве примера, показано изменение этих показателей в зависимости от температуры НВ при частоте вращения коленчатого вала 21мин-1 (номинальной частоте вращения). Аналогичные зависимости были получены при других частотах вращения коленчатого вала.

С использованием полученных данных по разработанной автором методике был определен целесообразный уровень охлаждения НВ.

Методика заключалась в следующем. Для каждого показателя проводили расчет степени его положительного изменения ( Сi ) в процентах от наипи худшего значения:

Аij - Аi Сi = 100 %, (8) пи Аi где Аij - текущее значение i-го показателя; Аi - наихудшее значение i-го показателя.

Рис. 10. Изменение показателей дизеля ЯМЗ-84в зависимости от температуры наддувочного воздуха (n = 2100 мин-1; цикловая подача топлива полная; установочный угол начала впрыскивания топлива 18 град ПКВ до ВМТ) Затем с помощью квалиметрического метода определяли значимость (коэффициент весомости mi) каждого из перечисленных показателей по стандартной. Далее для каждого i-го параметра находили индивидуальный коэффициент его положительного изменения (Кпи) i Кпи= Сi mi. (9) пи Сложением коэффициентов положительного изменения всех показателей при данной температуре НВ получали интегральное значение коэффициента положительного изменения показателей для f-ой температуры:

Кт f if Кf = Кпи= КNелf + Кgef + ККмf + К + КТЧf. (10) пип пи пи пи пи пи Экстремум кривой, построенной в координатах линтегральный коэффициент положительного изменения показателей для f-ой температуры - температура НВ, соответствовал целесообразному значению температуры свежего заряда с точки зрения компромисса между мощностными, экономическими показателями, механической, тепловой нагруженностью и содержанию ТЧ в ОГ. На рис. 11, в качестве примера, показана зависимость интегрального коэффициента положительного изменения показателей ( Кf ) от температуры пип НВ при n = 2100 мин-1.

Как видно, в области между 67 и 80 0С изменение Кf незначительно пип (0,45 %), поэтому указанный интервал можно считать целесообразным при выборе температуры НВ с точки зрения компромисса между мощностными, экономическими показателями, механической, тепловой нагруженностью и ТЧ при данной частоте вращения коленчатого вала.

Рис. 11. Изменение Кf дизеля пип ЯМЗ-8424 в зависимости от температуры наддувочного воздуха (n=2100 мин-1) Как видно, в области между 67 и 80 0С изменение Кf незнапип чительно (0,45 %), поэтому указанный интервал можно считать целесообразным при выборе температуры НВ с точки зрения компромисса между мощностными, экономическими показателями, механической, тепловой нагруженностью и ТЧ при данной частоте вращения коленчатого вала. При других частотах вращения коленчатого вала максимальное значение Кf имело место при температуре НВ, равной 70 С.

пип При этом в области от 66 до 81 0С разница значений интегрального коэффициента положительного изменения параметров составляет всего 0,15 %. Установленные закономерности изменения показателей дизеля ЯМЗ-8424 в зависимости от температуры НВ позволили считать, что целесообразные значения температуры свежего заряда лежат в диапазоне 66-81 0С. Анализ литературы показал, что для достижения поставленных целей в качестве ТАВ наиболее целесообразно использовать кристаллогидрат окиси бария с температурой фазового перехода 78 0С. После выбора ТАВ с использованием разработанной во второй главе математической модели были произведены расчеты характеристик СТНВ.

Сравнительный анализ экспериментов, выполненных со штатным охладителем НВ и с предложенной системой стабилизации температуры свежего заряда, показал, что во втором случае: максимальный размах колебания температуры НВ после СТНВ не превышал 5 С; коэффициент стабилизации температуры НВ [{ Тк Кст = (Тк - Тц )/Тц }, где - фактическая температура воздуха, поступающего в цилиндры, Тц - целесообразное значение температуры свежего заряда] 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 3,4 %).

После оценки влияния температуры НВ на показатели дизеля ЯМЗ-84и системы СТНВ на параметры свежего заряда была исследована возможность и эффективность улучшения экологических показателей дизеля КамАЗ-740 стабилизацией температуры ОГ перед их поступлением в КН.

Методика определения этого уровня температуры ОГ заключалась в следующем. Для каждого токсичного компонента с использованием математической модели каталитической нейтрализации ОГ, разработанной учеными АлтГТУ, находили их степени превращения при различных режимах работы дизеля:

н н Ci - Ci Сi н = = 1- = 1- Снi Сi, (11) Ci Ci н где Ci и Ci - концентрации iЦго токсичного компонента в ОГ двигателя перед и после КН.

Затем суммировали степени превращения токсичных компонентов на каждом режиме работы дизеля и строили график Снi = f (Tог ). По характеру кривой делали вывод о значении температуры ОГ, позволяющей обеспечить наиболее эффективную работу КН на рассматриваемом режиме работы двигателя. Совместный анализ указанных кривых на всех исследованных режимах позволил сделать вывод о целесообразном значении температуры ОГ на входе в КН. Определение целесообразного уровня температуры ОГ на входе в КН производилось для режимов, соответствующих работе дизеля КамАЗЦ740 по внешней скоростной характеристике. На рис. 12, в качестве примера, показано изменение степеней превращения токсичных компонентов ОГ при их прохождении через КН при частоте вращения коленчатого вала n = 1000 минЦ1.

Рис. 12. Изменение степеней превращения токсичных компонентов в выбросах дизеля КамАЗ-740 в зависимости от температуры отработавших газов:

(n = 1000 минЦ1; расход ОГ - 11,6 кг/с;

часовой расход топлива - 13,0 кг/ч) Для определения целесообразного уровня температуры ОГ на входе в КН степени превращения рассмотренных токсичных компонентов при одинаковых температурах ОГ на каждом из рассмотренных скоростных режимах были просуммированы (рис. 13). Полученные графики позволили сделать вывод о том, что целесообразным уровнем температуры ОГ дизеля КамАЗ-7на входе в КН является диапазон 700-800 К, так как меньшие температуры будут снижать эффективность процессов нейтрализации, а более высокие могут вести к перегреву реактора и корпуса КН. Анализ литературы показал, что наиболее приемлемым для использования в СТОГ является гидроксид лития с температурой фазового перехода 744 К.

Рис. 13. Суммарное изменение степеней превращения токсичных компонентов в выбросах дизеля КамАЗ-740 в зависимости от температуры отработавших газов:

1 - n = 1000 мин-1; 2 - n = 1400 мин-1;

3 - n = 1800 мин-1; 4 - n = 2200 мин-1;

5 - n = 2600 мин-После выбора ТАВ с использованием разработанной во второй главе математической модели были произведены расчеты характеристик СТОГ.

В дальнейшем были проведены исследования эффективности снижения токсичных выбросов дизеля КамАЗ-740 в случае установки СТОГ перед КН при работе по скоростным и нагрузочной характеристикам, а также при работе по 13-режимному испытательному циклу (в соответствии с Правилом ЕЭК ООН № 49.02) (табл. 1).

Таблица Обобщенные результаты испытаний дизеля КамАЗЦ7при работе по 13-режимному циклу Степень превращения Оценочный i-го токсичного показатель компонента *) g13 g13 g,% нi стогнi g13 0,51 0,55 7,NOx 0,33 0, 37 12,gCO 0,66 0,73 10,gCH 0,62 0,69 11,gТЧ *) g13 - относительное улучшение степени превращения i-го токсичного компонента за счет стабилизации температуры ОГ Материалы табл. 1 свидетельствуют о заметном улучшении степеней превращения токсичных компонентов в КН за счет оборудования его СТОГ.

Исследования стабилизации температуры ОГ на входе в КН проводилось и при работе дизеля КамАЗ-740 на режимах ездового цикла ЕСЕ R15/05.

Обработка усредненных результатов, полученных за пять повторных 11-километровых испытательных циклов, показала, что размах колебаний температуры ОГ на входе в СТОГ составил 490 К, на выходе из него - 12 К, коэффициент вариации на входе в СТОГ равнялся 41 %, на выходе - 1,1 %.

Коэффициент стабилизации температуры колебался в пределах 0,53-1,08 %.

На последнем этапе описываемого фрагмента экспериментального исследования проводились стендовые натурные испытания дизеля КамАЗЦ7на эксплуатационных режимах, соответствующих движению грузового автомобиля по городу и шоссе. На рис. 14 представлены соответствующие значения эксплуатационных степеней превращения токсичных компонентов в ОГ дизеля КамАЗЦ740 и их улучшение за счет стабилизации температуры.

а б Рис. 14. Значения эксплуатационных степеней превращения токсичных компонентов в ОГ (а) (1-й ряд - при работе с КН и СТОГ; 2-й ряд - при работе с КН без СТОГ) и относительное их улучшение за счет стабилизации температуры ОГ (б) Расчеты показали, что оборудование КН стабилизатором температуры ОГ снижает приведенную массу годового выброса дизелем КамАЗ-740 токсичных веществ на 65,17 т. Массы годового выброса СО уменьшаются на 1,50 т, СН - на 0,17 т, NOx - на 1,42 т, ТЧ - на 2,55 т.

В пятой главе рассмотрены результаты комплексного решения вопроса улучшения экологических, повышения мощностных и экономических показателей дизеля КамАЗ-740 за счет оборудования его выпускной системы КН с утилизатором теплоты и подачей дополнительного воздуха в нейтрализатор. Утилизатором теплоты служила СЭУ с двигателем Стирлинга ДС 5,5/2,1. Прежде всего, были оценены энергетические показатели уходящих из КН газов при работе дизеля КамАЗ-740 по скоростным, нагрузочной характеристикам и в условиях движения автомобиля по городскому и междугородному циклам. Для последнего случая потери теплоты с УГ в случае штатной комплектации двигателя эксп составили 80,5 % от Ne (89,0 кВт). Установка КН увеличила потери до 102 кВт (92,2 %). Добавление воздуха в нейтрализатор доводит рассматриваеэксп мые потери до 115,4 кВт (до 104,3 % по отношению к Ne ). Теряемая с УГ эксп термическая эксергия соответственно составляет 50,7 кВт (45,8 % от Ne ), 66,8 кВт (60,4 %) и 79,4 кВт (71,8 %). В случае установки в выпускную систему дизеля утилизационной СЭУ ей от УГ передается для последующей трансфорэксп мации в работу 47,4 кВт (42,9 % от Ne ) при штатной комплектации двигателя; 54,7 кВт (44,5 %) при наличии КН и 59,7 кВт (54,0 %) при добавлении в нейтрализатор воздуха. Термическая эксергия перечисленных потоков теплоты эксп соответственно составляет 31,7 кВт (28,7 % от Ne ), 37,6 кВт (34,0 %) и 41,2 кВт (37,3 %). Приведенные цифры свидетельствуют о существенном увеличении энергетических показателей УГ при установке в выпускную систему дизеля КН, особенно при добавлении в нейтрализатор воздуха.

Влияние установки в выпускную систему КН с утилизационной СЭУ на мощностные и экономические показатели СУ исследовалось при работе дизеля по скоростным, нагрузочной характеристикам и на эксплуатационных режимах, соответствующих движению грузового автомобиля по городу и шоссе.

Наибольший практический интерес представляют результаты последней серии испытаний, которые приведены на рис. 15.

Рис. 15. Эффективная мощность, часовой и удельный эффективный расходы топлива при эксплуатации дизеля КамАЗ-740:1 - в штатной комплектации; 2 - с утилизационной установкой; 3 - с КН; 4 - с добавлением воздуха в нейтрализатор Влияние утилизации теплоты УГ на степень повышения эффективной эксплуатационной мощности и степень снижения удельного эффективного эксплуатационного расхода топлива показано в табл. 2.

Таблица Влияние утилизации теплоты УГ на степени изменения мощностных и экономических показателей дизеля КамАЗ-7Степень повышения Степень снижения Комплектация эффективной удельного эффективвыпускной системы эксплуатационной ного эксплуатациондизеля мощности ного расхода топлива С утилизатором 1,100 0,9С каталитическим нейтрали1,123 0,8затором и утилизатором С подачей дополнительного воздуха в нейтрализатор 1,137 0,8и утилизатором На рис. 16 приведены гистограммы, иллюстрирующие эксплуатационные степени превращения токсичных веществ (ЭСПi) при установке в выпускную систему дизеля КамАЗ-740 КН и утилизационной СЭУ.

Рис. 16. Эксплуатационные степени превращения токсичных веществ:

1 - при установке КН; 2 - при установке КН с подачей в него дополнительно воздуха; 3 - при установке КН по отношению к содержанию токсичных веществ перед КН; 4 - при установке КН с подачей в него дополнительно воздуха по отношению к содержанию токсичных веществ перед КН Расчеты показали, что эксплуатационный показатель эффективности снижения суммарной удельной (приведенной к СО) токсичности ОГ при установке КН составляет 1,934. В случае подачи в нейтрализатор дополнительного воздуха этот показатель возрастает на 8 %.

В шестой главе приведены результаты реализации технического решения по обеспечению пуска ПДВС в условиях низких температур окружающей среды, представляющего собой систему, объединяющую отопитель ОВ-65Б и утилизационную СЭУ. Эксперименты подтвердили возможность обеспечения длительной работы отопителя ОВ-65Б, без использования внешних источников электрической энергии после выхода установки на нормальный режим работы. Были изучены энергетические процессы, протекающие в созданной установке на всех иерархических уровнях (табл. 3).

В результате проведенных экспериментальных исследований установлено, что: продолжительность непрерывной работы теплоэлектрогенератора без использования внешнего источника электрической энергии после пуска установки и выхода ее на номинальный режим работы и ограничивается только наличием топлива и периодичностью технического обслуживания; эксергетическая производительность теплоэлектрогенератора при функционировании на полном режиме составила около 2,6 кВт и несколько более 1,6 кВт на частичном; соответствующие эксергетические КПД равнялись 19,77 и 19,68 %, а удельные затраты эксергии - 5,01 и 5,24 кВт/кВт; тепловая производительность отопителя ОВ-65Б при автономном в отношении внешних источников электрической энергии функционировании в составе теплоэлектрогенератора снижается на 4,2 % при работе на полном и на 4,8 % - при работе на частичном режимах (что, однако, не выходит за границы паспортной тепловой производительности отопителя); при этом в первом случае кроме теплого воздуха теплоэлек трогенератор вырабатывает для внешних потребителей 127 Вт электроэнергии на полном и 173 Вт на частичном режимах работы.

Таблица Составляющие внешнего эксергоанергетического баланса теплоэлектрогенератора (ТЭГ) Режим работы отопителя Составляющие баланса полный частичный Вт % Вт % Эксергия, потребляемая ТЭГ 12912 100,00 8607 100,Кинетическая энергия потока нагретого 14 0,11 6 0,воздуха Теплота, уносимая нагретым воздухом : 7614 58,97 4787 55, - термическая эксергия 2452 18,99 1471 17, - анергия 5162 39,98 33,16 38,Химическая эксергия продуктов сгорания, 67 0,52 64 0,выбрасываемых из ТЭГ Кинетическая энергия потока продуктов 0,9 0,007 0,2 0,0сгорания, выбрасываемых из ТЭГ Теплота, уносимая из ТЭГ с ПС: 3897 26,31 1973 29, - термическая эксергия 1585 12,28 921 10, - анергия 1812 14,03 1052 12,Потери эксергии топлива, вызванные не- 516 4,00 412 4,полнотой его сгорания Электрическая энергия, вырабатываемая 127 0,98 173 2,ТЭГ Теплота, отводимая в ОС от поверхности 855 6,62 847 9,СЭУ:

- термическая эксергия 37 0,29 33 0, - анергия 818 633 814 9,Теплота, отводимая в ОС от поверхности 320 2,48 235 2,отопителя:

- термическая эксергия 50 0,39 36 0, - анергия 270 2,09 2,09 2,ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ В ходе выполнения настоящей работы:

1. Сформулировано два возможных направления использования тепловых аккумуляторов энергии как средства повышения эффективности ПДВС.

В первом случае их можно использовать для обеспечения стабилизации температуры рабочего тела с целью повышения эффективности процессов, происходящих либо с помощью этих тел, либо непосредственно в этих телах.

Такие системы позволяют при работе ПДВС на различных режимах обеспечить стабилизацию температуры: 1) наддувочного воздуха на уровне, целесо образном с точки зрения компромисса между мощностными, экономическими показателями, механической, тепловой нагруженностью деталей и узлов дизеля, а также экологическими показателями ОГ двигателей; 2) отработавших газов на уровне, обеспечивающем высокую эффективность снижения концентрации токсичных веществ в КН.

Тепловые аккумуляторы энергии второй группы обеспечивают стабилизацию температуры процесса передачи теплоты в устройства, предназначенные для ее последующей трансформации в работу. Такие системы могут быть использованы для стабилизации температуры процесса передачи теплоты от ПС к рабочему телу утилизационных систем, преобразующих в полезную работу термическую составляющую энергии, теряемой с ОГ ПДВС или с продуктами сгорания, выбрасываемыми в атмосферу теплогенерирующими установками.

2. Предложены технические решения задач: 1) стабилизации температуры НВ на уровне, обеспечивающем компромисс между мощностными, экономическими показателями, механической, тепловой нагруженностью деталей и узлов дизеля, а также содержанием ТЧ в ОГ при работе на неустановившихся режимах, длительной работе на режимах больших, малых нагрузок и холостого хода; 2) повышения экологических показателей ПДВС путем стабилизации температуры ОГ в КН; 3) улучшения экологических, повышения мощностных и экономических показателей ПДВС, использованием КН со встроенной в него утилизационной СЭУ, оборудованной стабилизатором температуры процесса передачи теплоты от ОГ к рабочему телу стирлинга и системой подачи дополнительного воздуха в нейтрализатор; 4) обеспечения электрической автономности теплогенерирующих установок с целью облегчения пуска поршневых ДВС в условиях низких температур окружающей среды.

3. Разработана термодинамическая модель и составлено математическое описание процессов стабилизации температуры рабочего тела и передачи теплоты в устройства, предназначенные для ее последующей трансформации в работу.

4. Предложены и реализованы способы определения: целесообразного значения температуры НВ с точки зрения компромисса между мощностными, экономическими показателями, механической, тепловой нагруженностью деталей и узлов дизеля, а также содержанием ТЧ в его ОГ; а также уровня температуры ОГ ПДВС на входе в КН, обеспечивающего максимальную эффективность его работы.

6. Оценены (количественно и качественно) энергетические характеристики продуктов сгорания, выбрасываемых в атмосферу из цилиндров дизеля КамАЗ-740 и отопителя ОВ-65-Б.

8. Экспериментально подтверждена возможность обеспечения длительной работы отопителя ОВ-65Б, без использования внешних источников элек трической энергии после выхода установки на нормальный режим работы.

Качественно и количественно изучены энергетические процессы, протекающие в созданной установке двухуровневого использования теплоты на всех иерархичесих уровнях.

Выводы и рекомендации по результатам проведенного исследования:

1. Целесообразный уровень температуры НВ с точки зрения компромисса между мощностными, экономическими экологическими показателями дизеля ЯМЗ-8424, механической и тепловой нагруженностью его деталей и узлов составляет 66-81 0С. Обеспечить стабилизацию температуры НВ на этом уровне можно используя в качестве теплоаккумулирующего вещества кристаллогидрат окиси бария с температурой фазового перехода 78 0С, что было экспериментально подтверждено (с максимальным отклонением от нее на 2 0С) при работе дизеля ЯМЗ-8424 в условиях неустановившихся режимов, режимов малых нагрузок и холостого хода 2. Сравнительный анализ экспериментов, выполненных на дизеле ЯМЗ-8424 со штатным охладителем НВ и с предложенной системой стабилизации температуры свежего заряда, который показал, что: максимальный размах колебания температуры НВ после стабилизатора температуры не превышал 5 0С; коэффициент стабилизации температуры НВ 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,(на 3,412 %).

3. Температура ОГ дизеля КамАЗ-740 на входе в КН, обеспечивающая максимальную эффективность его работы, составляет 700-800 К и стабилизировать ее на этом уровне можно используя в качестве теплоаккумулирующего вещества гидроксид лития с температурой фазового перехода 744 К.

4. В случае установки перед КН стабилизатора температуры ОГ при работе дизеля КамАЗ-740: по 13-режимному испытательному циклу относительное улучшение степени превращения СО составляет 12,1 %; СН - 10,6 %;

NOx - 7,8 % и ТЧ - 11,3 %; на режимах, соответствующих движению грузового автомобиля по городу и шоссе: по СО - 17,9 %, по NOx - 19,8 %, по СН - 20,2 %, по ТЧ - 22,6 %; приведенная масса годового выброса токсичных веществ снижается на 65,17 т., массы годового выброса СО уменьшаются на 1,50 т, СН - на 0,17 т, NOx - на 1,42 т, ТЧ - на 2,55 т.

5. Потери теплоты с ОГ дизеля КамАЗ-740 в штатной комплектации составляют 80,5 %, при работе с КН - 92,2 %, при добавлении в нейтрализатор воздуха - 104,3 % по отношению к средней эффективной эксплуатационной эксп мощности ( Nе ) в условиях работы дизелей грузовых автомобилей при движении по городскому и междугороднему циклам. Теряемая при этом термическая эксергия составляет соответственно - 45,8 %, 60,4 % и 71,8 % от эксп Nе. Аналогичный прирост характерен и для энергии и эксергии потока теплоты, передаваемой в утилизационную СЭУ.

6. На режимах работы грузовых автомобилей при движении по городскому и междугороднему циклам с дизелем КамАЗ-740: использование СЭУ при условии утилизации всей теряемой с ОГ теплоты может привести к суммарному увеличению мощности силовой установки на 11,0 кВт (или на 9,9 %), снижению удельного эффективного расхода топлива на 20,4 г/(кВтч) (или на 9,1 %); при установке КН с утилизатором теплоты мощность возрастает на 13,6 кВт (или на 12,2 %), удельный эффективный расход топлива снижается на 24,5 г/(кВтч) (или на 10,9 %); при подаче в КН с утилизационной установкой дополнительного воздуха повышение мощности достигнет 15,1 кВт (или 13,7 %), уменьшение удельного эффективного расхода топлива составит 26,9 г/(кВтч) (или 11,9 %);- лучшие показатели по эксплуатационной степени превращения реагирующих веществ при установке в выпускную систему каталитического нейтрализатора достигаются по NОх - 0,53, ниже всех показатель у СО - 0,41, по СН и ТЧ эти показатели равны соответственно 0,45 и 0,46; эксплуатационный показатель эффективности снижения удельной (приведенной к СО ) токсичности ОГ составил 1,934. Добавление воздуха в нейтрализатор повышает показатели по СО на 4 %; СН - на 2 %; по NОх и ТЧ - на 1 %, эксплуатационный показатель эффективности снижения удельной (приведенной к СО ) токсичности ОГ на 8 %.

7. Тепловая производительность отопителя ОВ-65Б при автономном в отношении внешних источников электрической энергии функционировании в составе теплоэлектрогенератора снижается на 4,2 % при работе на полном и на 4,8 % - при работе на частичном режимах (что, однако, не выходит за границы паспортной тепловой производительности отопителя); при этом в первом случае кроме теплого воздуха теплоэлектрогенератор вырабатывает для внешних потребителей 127 Вт электроэнергии на полном и 173 Вт на частичном режимах работы.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Романов, В.А. Использование тепловых аккумуляторов энергии в поршневых двигателях внутреннего сгорания: монография / В.С. Кукис, В.А. Романов. - Челябинск, Абрис, 2010. - 231 с.

2. Романов, В.А. Новые пути повышения эффективности двигателей внутреннего сгорания: монография / В.С. Кукис, В.А. Романов. - Челябинск, Край РА, 2011. - 260 с.

В изданиях, рекомендованных ВАК:

3. Романов, В.А. Термодинамика процессов теплообмена в выпускной системе поршневого ДВС, оборудованной стабилизатором температуры отработавших газов / В.С. Кукис, В.А. Романов, Т.Ф. Султанов // Транспорт Урала. - 2007. - Вып. 2. - С. 31-37.

4. Романов, В.А. Стабилизация температуры наддувочного воздуха при работе дизеля на различных режимах / В.А. Романов // Транспорт Урала. - 2007. - Вып. 3. - С. 24-26.

5. Романов, В.А. Обеспечение электрической автономности генераторов теплоты мобильной техники с помощью утилизационного двигателя стирлинга / В.А. Романов // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. Научный журнал. - Вып. 2. - Новосибирск: НГАВТ, 2008. - С. 138-140.

6. Романов, В.А. Определение целесообразного уровня температуры отработавших газов на входе в каталитический нейтрализатор при работе дизеля КамАЗ-740.на различных режимах / В.А. Романов, Т.Ф. Султанов // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. Научный журнал. Вып. 2. - Новосибирск: ФГОУ ВПО НГАВТ, 2008. - С. 132-133.

7. Романов, В.А. Исследование характеристик стабилизатора температуры отработавших газов поршневых ДВС / В.С. Кукис, В.А. Романов // Ползуновский вестник.

- №4. - 2008. - С. 5-58.

8. Романов, В.А. Возможные применения систем стабилизации температуры на базе аккумуляторов энергии в поршневых ДВС / В.С. Кукис, В.А. Романов // Вестник УГАТУ: Научный журнал УГАТУ. - 2009. - Т. 13. - № 1 (34). - С. 97 - 101.

9. Романов, В.А. Повышение эффективности работы каталитического нейтрализатора путем введения в него дополнительного воздуха / В.С. Кукис, В.А. Романов // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. Научный журнал. Вып. 1.

- Новосибирск: НГАВТ, 2009. - С. 184-189.

10. Романов, В.А. Повышение эффективности каталитического нейтрализатора за счет подачи в него дополнительного воздуха / В.С. Кукис, В.А. Романов // Вестник академии военных наук - №3 (28). - 2009. - С. 365-369.

11. Романов, В.А. Оценка энергии отработавших газов поршневых ДВС, оборудованных каталитическим нейтрализатором / В.С Кукис, В.А. Романов // Вестник ЮУрГУ серия Машиностроение. - Вып. 14. -№ 33 (166) - 2009. - С. 94-98.

12. Романов, В.А. Аппроксимационные уравнения для расчета индикаторных и эффективных показателей дизеля / В.С. Кукис, В.А. Романов, А.А. Малоземов, А.В. Тананыкин // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. Научный журнал. Вып. 2. - Новосибирск: НГАВТ, 2009. - С. 223-213. Романов, В.А. Номограмма для определения мощности, необходимой для привода нагнетателя воздуха в каталитический нейтрализатор / В.А. Романов, В.С. Кукис // Вестник академии военных наук - №1 (30). - 2010. - С. 157-162.

14. Романов, В.А. Методика определения целесообразной температуры надувочного воздуха в комбинированных двигателях / В.А. Романов, Г.А. Берестнев // Вестник академии военных наук - №1 (30). - 2010. - С. 152-157.

15. Романов, В.А. Обеспечение оптимальной температуры процессов в каталитическом нейтрализаторе / В.С. Кукис, В.А. Романов, А.В. Сагадатов, Т.С. Габбасов // Вестник академии военных наук - №1 (30). - 2010. - С. 97-100.

16. Романов, В.А. Расширение возможностей использования теплогенерирующих установок для пуска ДВС при низких температурах окружающей среды / В.А. Романов, С.К. Рахимов, Г.А. Берестнев // Тракторы и с/х машины. - №2. - 2010. - С. 48-49.

17 Романов В.А. Способ повышения эффективности первичного двигателя утилизационной стирлинг-электрической установки / И.Я. Редько, В.А. Романов, В.С. Кукис, А.А. Малоземов // Горный журнал. - № 4. - 2010. - С. 64-67.

В других изданиях:

18. Романов, В.А. Термодинамическая модель процессов во впускном тракте дизеля с наддувом, оборудованном стабилизатором температуры наддувочного воздуха / В.А. Романов // Научный вестник ЧВВАКИУ. - Вып. 14. - Челябинск: ЧВВАКИУ, 2004.

- С. 105-110.

19. Романов, В.А. Математическая модель процессов во впускном тракте дизеля с наддувом, оборудованном стабилизатором температуры наддувочного воздуха / В.А. Романов // Научный вестник ЧВВАКИУ. - Вып. 14. - Челябинск: ЧВВАКИУ, 2004. - С. 110-125.

20. Романов, В.А. Математическое моделирование процессов теплопередачи в тепловом аккумуляторе с фазовым переходом / В.А. Романов, Т.Ф. Султанов // Научный вестник ЧВВАКИУ. - Вып. 14. - Челябинск: ЧВВАКИУ, 2004. - С. 127-140.

21. Романов, В.А. Каталитический нейтрализатор с повышенной надежностью и эффективностью снижения вредных выбросов / В.А. Романов, В.С. Кукис // Научный вестник ЧВВАКИУ. - Вып. 18. - Челябинск: ЧВВАКИУ, 2006. С. 102-104.

22. Романов, В.А. Устройство для стабилизации температуры наддувочного воздуха / В.А. Романов // Научный вестник ЧВВАКИУ. - Вып. 18. - Челябинск: ЧВВАКИУ, 2006. - С. 30-23. Романов, В.А. Методика определения целесообразного уровня стабилизации температуры отработавших газов для обеспечения эффективной работы каталитического нейтрализатора / В.А. Романов // Научный вестник ЧВВАКИУ. - Вып. 18. - Челябинск: ЧВВАКИУ, 2006. - С. 61-63.

24. Романов, В.А. Применение двигателей Стирлинга для обеспечения электрической автономности генераторов теплоты колесных и гусеничных машин / В.А. Романов // Методические рекомендации по ремонту бронетанкового вооружения и техники и автомобильной техники. СПб.: ФГУ л29 КТЦ МО РФ. - № 132, 2006. - С. 35-37.

25. Романов, В.А. Повышение мощностных, экономических и экологических показателей поршневых ДВС путем использования систем аккумулирования энергии / В.С. Кукис, В.А. Романов // Двигатели внутреннего сгорания. Харьков - 2007. - № 1. - С. 53-56.

26. Романов, В.А. Повышение эффективности наддува за счет стабилизации температуры воздуха, поступающего в цилиндры дизеля, работающего на переменных режимах / В.А. Романов, Ю.Л. Попов // Двигатели внутреннего сгорания. Харьков - 2007. - № 2. - С. 39-43.

27. Романов, В.А. Вопросы утилизации энергии продуктов сгорания генераторов теплоты мобильной техники / В.А. романов // Экологические проблемы энергоустановок с тепловыми двигателями. - Барнаул: Российский союз научных и инженерных организаций. Алтайское отделение, 2007. - С. 74-78.

28. Романов, В.А. Результаты сравнительных испытаний дизеля ЯМЗ-8424 при работе с различными системами воздействия на температуру наддувочного воздуха / В.С. Кукис, В.А. Романов, Ю.Л. Попов // Працi Таврiйскоi державноi агротехнiчноi академii. - Вип. 7. - Том 4. - Мелiтополь, 2007. - C. 130-136.

29. Романов, В.А. Оптимизация температуры наддувочного воздуха в дизеле ЯМЗ-8424 при работе на переменных режимах / В.А. Романов // Военная техника, вооружение и современные технологии при создании продукции военного и гражданско го назначения: IV Международный технологический конгресс (Омск 4-9 июня 20г.). Омск: ОмГТУ, 2007. - Ч. 1. - С. 342-346.

30. Романов, В.А. Стабилизатор температуры наддувочного воздуха для дизеля ЯМЗ-8424 / В.А. Романов // Военная техника, вооружение и современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения: IV Международный технологический конгресс (Омск 4-9 июня 2007 г.). Омск: ОмГТУ, 2007. - Ч. 1. - С. 339-342.

31. Романов, В.А. Результаты определения целесообразного уровня стабилизации температуры отработавших газов для обеспечения эффективной работы каталитического нейтрализатора / В.А. Романов, Т.Ф. Султанов // Научный вестник ЧВВАКИУ.

- Вып. 19. - Челябинск: ЧВВАКИУ, 2007. - С. 123-125.

32. Романов, В.А. Результаты исследования вредных выбросов дизеля КамАЗ-7при работе по 13-режимному испытательному циклу / Т.Ф. Султанов, В.А. Романов // Научный вестник ЧВВАКИУ. - Вып. 19. - Челябинск: ЧВВАКИУ, 2007. - С. 118-123.

33. Романов, В.А. Стабилизация температуры в ряде систем двигателей мобильной техники как средство повышения их мощностных, экономических и экологических показателей / В.С. Кукис, В.А. Романов // Материалы всероссийской науч.-практ.

конф. с международным участием Приоритетные направления науки и техники, прорывные и критические технологии: энергетические, экологические и технологические проблемы экономики. - Барнаул, 2007 - С. 71-73.

34. Романов, В.А. Первичный двигатель стирлинг-электрического генератора для утилизации теплоты отработавших газов поршневых ДВС / В.С. Кукис, В.А. Романов // Материалы II съезда инженеров Сибири (20-21 марта 2008). - Ч. 2. - Омск: ОМГТУ, 2008. - С. 137-143.

35. Романов, В.А. Отработавшие газы поршневых ДВС как источник теплоты для утилизационного стирлинг-электрического генератора / В.А. Романов // Материалы II съезда инженеров Сибири (20-21 марта 2008). - Ч. 2. - Омск: ОМГТУ, 2008. - С. 143-145.

36. Романов, В.А. Оценка влияния теплоаккумулирующего вещества на характеристики стабилизатора температуры отработавших газов ДВС / В.С. Кукис, В.А. Романов // Энергетические, экологические и технологические проблемы экономики (ЭЭТПЭ-2008): Материалы второй науч.-практ. конф. с международным участием (1-4 октября 2008). Барнаул, 2008. - С. 197-203.

37. Романов, В.А. Энергетические возможности отработавших газов ДВС с точки зрения последующей утилизации их тепловых потерь / В.А. Романов // Улучшение эксплуатационных показателей автомобиле, тракторов и двигателей: материалы Международной науч.-техн. конф. (22-23 марта 2008). СПб: СПбГАУ, 2008 - С. 64-68.

38. Романов, В.А. Анализ влияния формы внутренней поверхности оребрённого нагревателя двигателя Стирлинга на рост термодинамической температуры рабочего тела / В.С. Кукис, В.А. Романов // Многоцелевые гусеничные и колесные машины:

актуальные проблемы и пути их решения // Материалы Международной науч. конф.

(16-17 октября 2008 г.). - Челябинск: ЮУрГУ, 2008. С. 153-158.

39. Романов, В.А. Стабилизация скоростного режима утилизационной стирлингэлектрической установки / В.А. Романов // Повышение эффективности силовых установок колесных и гусеничных машин: материалы науч.-техн. конф., посвященной 40-летию кафедры двигателей. - Челябинск: ЧВВАКИУ, 2008. - С. 65-68.

40. Романов, В.А. Энергетические показатели потока продуктов сгорания, выбрасываемых в атмосферу из каталитического нейтрализатора / В.С. Кукис, В.А. Романов // Повышение эффективности силовых установок колесных и гусеничных машин: материалы науч.-техн. конф., посвященной 40-летию кафедры двигателей. - Челябинск: ЧВВАКИУ, 2008. - С. 43-49.

41. Романов, В.А. Повышение эффективности утилизации теплоты отработавших газов ДВС / В.С. Кукис, В.А. Романов // Працi Таврiйскоi державноi агротехнiчноi академii. - Вип. 7. - Том 9. - Мелитополь, 2008. - С. 52-60.

42. Романов, В.А. Оценка влияния теплоаккумулирующего вещества на характеристики стабилизатора температуры отработавших газов ДВС / В.А. Романов // Материалы второй научно-практической конференции с международным участием Энергетические, экологические и технологические проблемы экономики (ЭЭТПЭ-2008).

Барнаул, 1-4 октября 2008. - С. 197 -203.

43. Романов, В.А. Повышение степени энергетической автономности и боеготовности воинских подразделений, дислоцирующихся в удаленных местах / В.С. Кукис, В.А. Романов // Ремонт: методические рекомендации по ремонту бронетанкового вооружения и техники и автомобильной техники СПб.: ФГУ л29 КТЦ МО РФ. - №139. - III-2008. - С. 18-20.

44. Романов, В.А. Система оценочных параметров установок двухуровневого использования теплоты / В.С. Кукис, В.А. Романов // Труды Международного Форума по проблемам науки, техники и образования (Москва 2-5 декабря 2008). - М.: Академия наук о земле, 2008. - С. 113-114.

45. Романов, В.А. Повышение степени энергетической автономности сельскохозяйственной техники / В.С. Кукис, В.А. Романов // Известия Международной академии аграрного образования. - Вып. 7 (2008). - Том 1. - СПб, 2008. - С. 168-171.

46. Романов, В.А. Применение двигателей Стирлинга для повышения электрической автономности генераторов теплоты / В.А. Романов // Ремонт: методические рекомендации по ремонту бронетанкового вооружения и техники и автомобильной техники СПб.: ФГУ л29 КТЦ МО РФ. - №142. - II - 2009. - С. 10-16.

47. Романов, В.А. Подача дополнительного воздуха в каталитический нейтрализатор как средство снижения концентрации токсичных компонентов в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания / В.С. Кукис, В.А. Романов // Политранспортные системы: Материалы IV Всероссийской науч.-техн. конф. (21-23 апреля, Новосибирск). - Новосибирск: СГУПС, 2009. - Ч. 2. - С. 182-187.

48. Романов, В.А. Методика экономической оценки эффекта использования системы утилизации теплоты отработавших газов в каталитическом нейтрализаторе / В.А. Романов // Автомобильная техника. Научный вестник ЧВВАКИУ. - Вып. 20. - Челябинск, 2009. - С. 117-122.

49. Романов, В.А. Каталитический нейтрализатор с повышенной надежностью и эффективностью снижения токсичных выбросов с отработавшими газами ДВС / В.С. Кукис, В.А. Романов // Материалы Международной науч.-практ. конф. Проблемы и перспективы развития Евроазиатских транспортных систем. - Челябинск:

ЮУрГУ, 2009. - С. 239-244.

50. Романов, В.А. Совершенствование тепловых генераторов транспортной техники / В.А. Романов // Материалы Международной науч.-техн. конф. Проблемы экс плуатации и обслуживания транспортно-техноголических машин - Тюмень: ТГНУ, 2009. - С. 233-234.

51. Романов, В.А. Автономный отопитель для мобильной техники / В.С. Кукис, В.А. Романов // Фундаментальные исследования и инновации в технических университетах: Материалы XIII Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы (18 мая 2009). - СПб.: Изд-во Политехнического ун-та, 2009. - С. 233-234.

52. Романов, В.А. Использование двигателя Стирлинга для повышения эффективности теплосиловых и теплогенерирующих установок / В.С. Кукис, В.А. Романов // Авиационно-космическая техника и технология - 8 (65). - Харьков: ХАИ, 2009. - С. 143-148.

53. Романов, В.А. Система утилизации теплоты отработавших газов поршневых ДВС повышенной эффективности / В.С. Кукис, В.А. Романов // Труды Международного Форума по проблемам науки, техники и образования (Москва 1-4 декабря 2009). - М.: Академия наук о земле, 2009. - С. 18-21.

54. Романов, В.А. Структура энергии продуктов сгорания, выбрасываемых теплогенерирующими установками мобильной техники / В.А. Романов // Сб. науч. тр.

Международной науч.-техн. конф. Улучшение эксплуатационных показателей автомобилей, тракторов и двигателей. - СПб.: СПбГАУ, 2009. - С. 126-131.

55. Романов, В.А. Двигатель Стирлинга вчера, сегодня, завтра / В.С. Кукис, В.А. Романов, Ю.А. Постол // Ползуновский альманах. - № 3. - Т. 1. - 2009. - С. 93-99.

56. Романов, В.А. Повышение эффективности работы каталитического нейтрализатора / В.А. Романов, В.С. Кукис, А.В. Сагадатов // Повышение эффективности колесных и гусеничных машин многоцелевого назначения: Науч. вестник ЧВВАКИУ.

- Вып. 26. - Челябинск, 2010. - С. 177-182.

57. Романов, В.А. О возможной аппроксимации рабочего цикла двигателя Стирлинга / В.А. Романов, В.С. Кукис, А.И. Рыбалко, Ю.А. Постол // Двигатели внутреннего сгорания: Всеукраинский науч.-техн. журнал. - № 2. - 2010. - С. 18-22.

Патенты на полезную модель:

58. Патент на полезную модель № 64291 (РФ). Комбинированный двигатель / В.С. Кукис, В.А. Романов, Д.В. Исаков, К.С. Подгорский. - Опубл. 27. 06.07. Бюл. № 18.

59. Патент на полезную модель № 86242 (РФ). Система смазки поршневого двигателя внутреннего сгорания / В.С. Кукис, В.А. Романов, Е.И. Зубов. - Опуб. 27.08.09.

Бюл. № 24.

60. Патент на полезную модель № 91109 (РФ). Каталитический нейтрализатор / В.С. Кукис, В.А. Романов, Баймуратов Р.Г. - Опуб. 27.01.10. Бюл. № 3.

61. Патент на полезную модель № 92106 (РФ). Комбинированный двигатель / В.С. Кукис, В.А. Романов, М.Л. Хасанова, В.В. Руднев. - Опуб. 10.03.10. Бюл. № 7.

62. Патент на полезную модель № 92480 (РФ). Пневматический поршневой двигатель для утилизации теплоты отработавших газов ДВС с воздушным охлаждением сжатого воздуха / В.С. Кукис, В.А. Романов, М.Л. Хасанова, В.В. Руднев. - Опуб.

10.03.10. Бюл. № 8.

63. Патент на полезную модель № 93122 (РФ). Система смазки поршневого двигателя внутреннего сгорания / В.С. Кукис, В.А. Романов, Смирнов, Лебедь, Колтышев.

- Опуб. 20.04.10. Бюл. № 11.

64 Патент на полезную модель № 93123 (РФ). Поршневой двигатель внутреннего сгорания с наддувом / В.С. Кукис, В.А. Романов, Смирнов А.И., Лебедь Н.А., Колтышев А.С. - Опуб. 20.04.10. Бюл. № 11.

65. Патент на полезную модель № 95359 (РФ). Каталитический нейтрализатор с утилизацией теплоты уходящих газов / В.С. Кукис, В.А. Романов, М.Л. Хасанова, В.В.

Руднев, М.В. Марков. - Опуб. 27.06.10. Бюл. № 18.

66. Патент на полезную модель № 102231 (РФ). Двигатель внутреннего сгорания / В.С. Кукис, М.Л. Хасанова, В.В. Руднев, В.А. Романов, Е.И. Зубов, А.С. Лебедь. - Опуб.

20.02.2011. Бюл. № Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям