автореферат диссертации по транспорту, 05.22.12, диссертация на тему:Улучшение эксплуатационных показателей машин промышленного транспорта путем утилизации теплоты силовых установок

! О С.

ОС ст. ст.

ЛЮСГОЧНОУКРАИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ си»

СТОРЧЕУС Юрин Викторович

УДК 658.286

УЛУЧШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ МАШИН ПРОМЫШЛЕННОГО ТРАНСПОРТА ПУТЕМ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОТЫ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК

05.22.12 - Промышленный транспорт

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

Луганск -1998

Диссертацией является рукопись.

Работа выполнена на кафедре "Автомобили и ДВС" Восточноукраинско-го государственного университета.

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент Крайшок Александр Иванович, кафедры "Автомобили и ДВС" ВУГУ, профессор.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, заслуженный деятель науки и техники Украины, профессор Звонов Василий Алексеевич,

Восточноукраинский государственный университет, заведующий кафедрой "Экология и безопасность жизнедеятельности"

кандидат технических наук, доцент Петренко Александр Емельянович, Луганский сельскохозяйственный институт, заведующий кафедрой "Тракторы и автомобили"

Ведущая организация -

Государственная холдинговая компания "Лугансктепловоз", г.Луганск.

Защита состоится " 3 "дугршЛ 1998 г. в часов на заседании специализированного ученого совета Д 18.02.02 при Восточноукраинском государственном университете по адресу: 348034, г.Луганск, кв.Молодежный, 20а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Восточноукраинского государственного университета по адресу: 348034, г. Луганск, кв.Молодежный, 20а.

Автореферат разослан '"7" 1998 г.

Ученый секретарь специализированного ученого совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. В структуре энергозатрат индустриального комплекса развитых стран одним из основных потребителей топлив органического происхождения являются установки промышленного транспорта с двигателями внутреннего сгорания. Значительный резерв улучшения технико-экономических показателей двигателей транспортных установок связан с утилизацией бросовой тепловой энергии охлаждающей жидкости и отработавших газов.

Традиционные схемы внешней утилизации, как правило, основаны на вторичном использовании теплоты для технологических нужд. Наиболее широкое применение такие схемы получили в крупнотоннажных судовых установках промышленного транспорта, а также в силовых агрегатах трубопроводного транспорта, где эффект вторичного использования тепловой энергии компенсирует затраты, связанные с усложнением конструкции и эксплуатации энергетического комплекса,

В мобильных установках промышленного транспорта малой и средней мощности находят применение схемы утилизации, основанные на использовании специально предназначенных для этой цели расширительных машин, как правило, лопаточного типа (сопловые турбины), преобразующих часть избыточной тепловой энергии в механическую работу. К недостаткам таких схем относятся высокая стоимость, недостаточная надежность и сложность эксплуатации.

Наиболее простыми в изготовлении и обслуживании являются утилизационные системы, основанные на использовании эжекционных эффектов для наддува ДВС. Отсутствие механических подвижных элементов в таких системах обусловливают их высокую надежность и низкую стоимость. Анализ эжекционных систем утилизации показал, что наиболее высокая степень утилизации тепловой энергии отработавших газов и охлаждающей жидкости двигателя реализуется в пароэжекционных системах наддува (ПЭСН) непрерывного действия. Принципиальным качеством систем ПЭСН является возможность повышения давления эжектируемого потока практически без увеличения противодавления выпуску, что обуславливает возможность дополнительного улучшения наполнения цилиндров за счет улучшения качества продувки и снижения затрат энергии на осуществление газообмена в цилиндрах двигателя установки промышленного транспорта.

Данная работа посвящена решению научной задачи - улучшению эксплуатационных показателей транспортной установки с двигателем внутреннего сгорания за счет утилизации теплоты последнего в системе воздухоснабжения.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Диссертационная работа выполнена в соответствии с государственной научно-технической программой "Экологически чистая энергетика и ресурсосберегающие технологии" в рамках госбюджетной НИР "Создание пароэжек-ционной системы утилизации энергии теплосиловых установок".

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является улучшение мощностных, экономических и экологических показателей установок промышленного транспорта путем применения пароэжекцион-ной системы утилизации теплоты силовых агрегатов.

Для достижения поставленной цели предусмотрено решение следующих задач:

1. Анализ и обобщение основных направлений развития устройств утилизации теплоты в установках промышленного транспорта.

2. Разработка комплекса математических моделей и методик расчета рабочих процессов систем пароэжекционного наддува: газодинамического цикла паровоздушного эжектора; определения показателей газообмена двигателя с ПЭСН; поиска режимов совместной работы двигателя установки промышленного транспорта и ПЭСН.

3. Проведение расчетно-экспериментальных исследований по уточнению механизма протекания газодинамических и теплообменных процессов в структурных элементах ПЭСН и установление связи между показателями работы двигателя и конструктивными параметрами системы наддува. Выявление возможности повышения эффективности работы пароэжекцион-ной системы наддува, разработка и апробация способов и устройств совершенствования эксплуатационных свойств ПЭСН.

4. Разработка рекомендаций по проектированию и оптимизации конструктивных параметров систем пароэжекционного наддува двигателей установок промышленного транспорта для условий работы в широком диапазоне эксплуатационных режимов.

Научная новизна полученных результатов:

1. Обобщены основные направления развития схем и конструкций систем утилизации теплоты двигателей установок промышленного транспорта. Раскрыты и проанализированы физические особенности рабочих процессов паровоздушного эжектора, предложены концепции совершенствования его свойств.

2. Получены новые данные расчетно-теоретических и экспериментальных исследований пароэжекционной системы наддува двигателя 448.5/11. Расширено представление о механизме протекания газодинамических процессов в паровоздушном эжекторе.

3. Разработан комплекс математических моделей рабочих процессов системы пароэжекционного наддува, в том числе: методика поиска опта-

мальных параметров эжектора; методика определения показателей газообмена двигателя с ПЭСН; замкнутая математическая модель рабочих процессов в основных элементах двигателей машин промышленного транспорта с ПЭСН, которая позволяет прогнозировать эффективные показатели работы двигателя в зависимости от конструктивных параметров эжектора,

4. Обоснованы научные принципы и способы улучшения эксплуатационных свойств паровоздушного эжектора. Выявлена и оценена возможность повышения к.и.д. ПЭСН путем оптимизации геометрических параметров эжектора, в частности, применения системы с изменяемой геометрией активного сопла эжектора на различных нагрузочных и скоростных режимах работы установки промышленного транспорта.

Практическая ценность полученных результатов.

1. Результаты и рекомендации выполненной работы способствуют созданию современных систем утилизации теплоты двигателей установок промышленного транспорта малой и средней мощности.

2. Разработанные методы, алгоритмы и программы расчета характеристик, агрегатов и основных Элементов системы пароэжекционного наддува позволяют существенно сократить трудоемкость и стоимость исследовательских, опытно-конструкторских и доводочных работ, а также расширить область поиска новых конструктивных и принципиальных решений при создании систем воздухоснабжения силовых установок промышленного транспорта.

3. Замкнутая математическая модель рабочих процессов в основных элементах КДВС и ПЭСН позволяет исследовать влияние конструктивных и режимных параметров эжектора на показатели работы поршневой части двигателя. Применение замкнутой математической модели значительно упрощает поиск сочетаний конструктивных параметров паровоздушного эжектора, обеспечивающих получение требуемых нагрузочных и скоростных характеристик КДВС.

4. Определены оптимальные конструктивные параметры системы пароэжекционного наддува, выявлены основные направления совершенствования эксплуатационных свойств, предложены мероприятия по их практической реализации.

5. Достигнуто повышение к.п.д. опытных конструкций ПЭСН силовых агрегатов промышленного транспорта до 0.3. Опытные установки ПЭСН могут служить как объектом, так и инструментом экспериментальных исследований по доводке рабочего процесса КДВС.

6. Разработан ряд опытных конструкций систем пароэжекционного наддува. Проведены моторные испытания опытного образца ПЭСН в составе дизеля 448.5/11. Испытания подтвердили возможность улучшения

технико-экономических показателей транспортных двигателей.

Внедрение научных разработок. Результаты работы используются в проектных и исследовательских подразделениях АО "Совтрансавто-Луганск", ГХК "Лугансктегоювоз". Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований отражены в программах учебных курсов "Транспортные устройства и основы их эксплуатации" по специальности 7.100401 - Организация перевозок и управления на транспорте и "Системы ДВС", "Системы наддува и газообмена" по специальности 7.090210 - Двигатели внутреннего сгорания в Восточноукраинском государственном университете.

Личиый вклад соискателя. В диссертационной работе лично автором получены следующие наиболее существенные теоретические и практические научные результаты, выносимые на защиту:

1. Комплекс методов и алгоритмов расчета рабочих процессов структурных элементов пароэжекционной системы наддува, включающий математическую модель рабочего цикла паровоздушного эжектора; методику определения показателей газообмена двигателя с ПЭСН; метод поиска режимов совместной работы двигателя установки промышленного транспорта и ПЭСН.

2. Новые данные расчетно-теоретических и экспериментальных исследований, расширяющие представление о режимах работы и механизме протекания газодинамических процессов в эжекторе. Теоретическое обоснование и практическая реализация способа повышения эффективности работы паровоздушного эжектора в широком диапазоне области эксплуатации двигателей установок промышленного, транспорта.

3. Переданные промышленности схемные и конструктивные решения, а также рекомендации по выбору рациональных конструктивных и режимных параметров системы пароэжекционного наддува.

Характеристика методологии исследования. Применяемая в диссертации совокупность методов и приемов базируется на принципах системности, предусматривающих: комплексный подход к проблеме совершенствования' систем утилизации теплоты силовых агрегатов промышленного транспорта; расчетно-экспериментальный метод научного исследования; разработку научных положений, позволяющих в сочетании с известными рациональным образом обеспечить решение цели и задач диссертации. При этом новые методики математического моделирования рабочих процессов системы пароэжекционного наддува предусматривают использование дивергентных методов численного интегрирования, обеспечивающих выполнение законов сохранения массы, импульса и энергии в потоках рабочих сред, идентификацию математических моделей с реальными процессами, подтвержденными экспериментально.

Экспериментальные исследования рабочих процессов систем паро-эжекционнсго наддува проводились с использованием современной измерительной и регистрирующей аппаратурой на специально оборудованных стендах кафедры "Автомобили и ДВС" ВУГУ. Объектом исследований является установка промышленного транспорта, оснащенная двигателем внутреннего сгорания.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований. Расхождение в пределах 3-5%.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на конференциях: 5-й международной конференции "Проблемы развития локомотивостроения"( Луганск, 1995), 1-ом и 2-ом республиканских научно-технических семинарах по улучшению показателей тепловых двигателей и ресурсосбережению (Мелитополь, 1995, 1996), Международной научно-практической конференции "Автоматизация проектирования и производства изделий в машиностроении" (Луганск, 1996), II Международной конференции "Состояние и перспективы развития электроподвижного состава" (Новочеркасск, 1997), а также научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Восточноукра-инского государственного университета (Луганск, 1992-1997).

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 8 научных работах.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, выводов, приложений. Полный объем работы 220 страниц. Диссертация содержит 70 иллюстраций на 55 страницах, 4 таблицы на 4 страницах, 4 приложения на 22 страницах, список использованных источников из 168 наименований на 16 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, изложена научная новизна, практическое значение, информация об апробации и публикации основных положений работы.

В первом разделе произведен обзор работ, направленных на улучшение энергоиспользования в установках промышленного транспорта. Установлено, что значительные резервы повышения эффективности мобильных установок промышленного транспорта представляет утилизация теплоты, уходящей с отработавшими газами и теряемой в системе охлаждения двигателей для улучшения воздухоснабжения.

Наиболее простыми в изготовлении и конструктивном исполнении являются утилизационные системы, использующие струйные аппараты (эжекторы), применение которых во многих отраслях техники позволяет

получать более простые и надежные технические решения по сравнению с механическими нагнетателями.

Улучшению экономических и экологических показателей работы тепловых двигателей, а также развитию методов расчета струйных аппаратов посвящены работы 'Г.Н.Абрамовича, Л.Д.Бермана, М.Е.Дейча, В.А.Звонова, Н.М.Зингера, В.Г.Кривова, В.В.Маслова, А.П.Марченко, В.Д.Сахаревича, А.Э.Симсона, Е.Я.Соколова, Н.К.Шокотова,

А.З.Хомича и др.

Анализ методов расчета эжекторов показал, что цри выборе подхода к математическому описанию процессов, происходящих в эжекторе ПЭСН, необходимо учитывать ряд факторов, позволяющих адаптировать их применительно к расчету системы пароэжекционного наддува двигателей установок промышленного транспорта.

Второй раздел посвящен математическому моделированию паро-эжекционной системы наддува двигателя установки промышленного транспорта.

Расчетная модель рабочего процесса эжектора основана на использовании уравнений сохранения массы, импульса и энергии. В рамках поставленной задачи давление активной среды poi неизвестно и подлежит определению наряду с конструктивными параметрами эжектора.

При выборе параметров эжектора со сверхзвуковым расширением активной среды необходимо иметь в виду ограничения, связанные с предельными режимами работы эжектора. В эжекторе с цилиндрической камерой смешения в диапазоне реальных для ПЭСН значений poi/po2 раньше других наступает режим звукового течения пассивной среды в сечении запирания. Именно этот режим представляет наибольший практический интерес, поскольку при заданном полном давлении смеси газов на выходе из эжектора максимальный расход эжектируемого газа достигается при критической скорости истечения газа в сечении запирания.

Составлен алгоритм оптимизационного расчета, основанный на определении параметров рабочего процесса по сечениям в последовательности, обратной направлению течения газов в эжекторе. Расчет, производится по известным значениям рог, С г, Тог, Gi, Toi. В качестве исходного варьируемого геометрического параметра эжектора используем степень расширения диффузора С, = F4/F3. Здесь, и в дальнейшем, индексами 01 и j, 02 и г, оз из обозначены полные и статические параметры соответственно активного и пассивного потоков и их смеси на выходе из камеры смешения.

Основные расчетные уравнения имеют вид:

f = в. •(! + ",1

2 Рвз-я{^з)-тз + 1' ()

и, =

Рп-ч{К) 1

(3)

+1 _

-константа, зависящая от физических свойств смеси; и а=С2/С, - коэффициент эжекции; а, = /¡/^ ; в = 7"М/Г0|; г(Л), у(Х), я(Я.) - известные газодинамические функции.

В предположении дозвуковой скорости истечения эжектирующего газа (>.1<1) связь между роз и ро| может быть выражена условием равенства статических давлений смешивающихся потоков газов во входном сечении камеры смешения

Рм •*(*,,)= Рм-кО-1)- (5)

Тогда уравнение (3) можно представить в следующем виде и - *(*•») 1 '"Л*..)-^" «.' (б)

В результате решения системы уравнений (2), (4) и (6), определяются значения А.|, Ул и а„ а затем, го уравнения (5), находим полное давление эжектирующего газа роь обеспечивающее работу эжектора на заданном режиме.

В случае надкритического отношения давлений в сопле эжектирующего газа используется гипотеза о равенстве статических давлений в сечении запирания

Ро, рм-п(х'г). (7)

Дополнительно задается условие работы эжектора на предельном режиме А,2=1. Применительно к эжектору с нерасширяющимся соплом (Х|=1) имеем

1 1 +

Р01"э

-1

(8)

Решением системы уравнений (4), (7) и (8) определяются параметры

Хг, VI и рои а затем, по уравнениям (3) и (1) - значения а3 и Р|.

Задаваясь рядом значений степени уширения диффузора Гц, производится расчет возможных сочетаний параметров эжектора, удовлетворяющих условию получения заданных значений рог, и3 на предельном режиме при минимуме потерь кинетической энергии.

Рассмотренное аналитическое решение позволяет однозначно определить оптимальные геометрические характеристики струйного аппарата и тем самым дает возможность упростить и Сократить его расчет по заданным параметрам заторможенного потока на выходе из диффузора, выбор которых в качестве исходных обусловлен спецификой проектирования систем воздухоснабжения двигателей установок промышленного транспорта.

Процесс газообмена в цилиндрах двигателя рассчитывается по методу объемного баланса проф. Н.М.Глаголева с учетом режима направленного истечения и состава газов в органах газообмена.

Моделирование потоков в газовоздушных трактах базируется на совместном решении интегральных уравнений, описывающих нестационарное движение газовоздушной среды в одномерном представлении, выражающих законы сохранения массы, импульса и энергии с учетом трения и теплоотдачи

где и, р и е - соответственно скорость, плотность и удельная внутренняя энергия газа; Ртр - падение давления от сил поверхностного трения на единице длины канала; <2 - теплота, подведенная к газу на единице длины канала за 1 секунду; г - контур исходной области а в плоскости х -1. ~

Численное решение этих уравнений выполняется модифицированным методом "распад произвольного разрыва" (РПР) С.К.Годунова с использованием консервативно-разностной схемы А.И.Крайнюка, отражающей послойные течения на граничных участках.

Предложенный подход позволяет учесть потери, связанные с отрывными явлениями в газовоздушных трактах и раскрывает возможность расчетного определения текущего значения коэффициента расхода в зависимости от величины проходных сечений.

Поиск параметров рабочих сред в газовоздушных трактах комбинированного двигателя осуществляется методом последовательных при-

= \\Qdxdt,

злижений одновременно по двум контурам сходимости. Первый контур обеспечивает соответствие расходов сжимающего пара и сжатого воздуха »эжекторе с учетом реально достижимого коэффициента эжекции, второй сонтур - баланс расходов нагнетаемого эжектором и потребляемого порш-гевой частью ДВС воздуха. При этом каждое приближение по второму сонтуру сопровождается пересчетом параметров рабочих сред по первому сонтуру.

После уточнения работы насосных ходов, эффективного к.п.д. и со-ггава газов в цилиндре, повторяется итерационный цикл в последователь-юсти первого этапа до получения полной сходимости расходов рабочих ред в каждом из структурных элементов рассматриваемой схемы паро-жекционного наддува двигателя установки промышленного транспорта.

В третьем разделе приведены разработанные схемные и конструк-ивные решения пароэжекционных систем наддува двигателей установок ромышленного транспорта, описание экспериментальной установки, [етодики проведения экспериментальных исследований и оценка погреш-остей измерений.

Система наддува (рис.1) состоит из двигателя I, впускного 2 и выпу-кного 3 коллекторов, теплообменника 8, паровоздушного эжектора 11, хладителя наддувочного воздуха 12 и сепаратора пара 13. Часть жидко-ги из системы охлаждения дизеля 1, подается насосом 7 в теплообмен-ый аппарат 8 под давлением 0.3±0.01 МПа. Подогрев воды в тепло-бменнике осуществляется при постоянном давлении и сопровождается ее азовым превращением из жидкого в парообразное состояние за счет иергии отработавших газов двигателя. Перегретый пар подводится к ак-авному соплу эжектора 9. В камере смешения эжектора 11 происходит еремешивание активного потока пара и воздуха, поступающего через око подвода 10. При этом повышаются давление и температура воздуха, а ара - соответственно снижаются, и на выходе из диффузора образуется ¿есь воздуха и влажного пара с промежуточным давлением и температу-эй. Охлажденный в холодильнике наддувочного воздуха 12 влажный )здух поступает в сепаратор 13 для удаления из него воды. Вода, вьще-:нная в сепараторе 13, отводится в расширительный бачок 5.

Приведены схемы двухступенчатых ПЭСН с использованием в каче-•ве второй ступени волнового обменника давления и дополнительного кектора. Разработанные схемные решения направлены на улучшение подателей работы установки промышленного транспорта в период пуска (игателя и его работы на частичных и переходных режимах. •

В четвертом разделе описываются результаты, расчетно-экспериментапьных исследований пароэжекционной системы наддува транспортного двигателя.

Реализация условия оптимального протекания газодинамических процессов в эжекторе ПЭСН связана как с подбором основных геометрических параметров, так и с обеспечением требуемого соответствия расходов активного пара и эжектируемого воздуха.

Проведенный комплекс расчетных исследований, а также испытания на безмоторном стенде и двигателе 448.5/11 позволили выявить оптимальные расходные и конструктивные параметры эжектора ПЭСЦ для работы в качестве агрегата воздухоснабжения двигателя установки промышленного транспорта. Определены настройки эжектора на различны« скоростные режимы работы двигателя, позволяющие достичь наибольше? эффективности системы наддува в зависимости от переменного значенш расхода активной среды.

Применение системы пароэжекционного наддува ДВС позволяет улучшить качество очистки цилиндров двигателя и повысить плотносп заряда в конце периода газообмена, что ведет к увеличению общего ко эффициента избытка воздуха, и, как следствие - к увеличению индикатор ного к.п.д. двигателя. С другой стороны, реализуемое в. цароэжекционно! системе наддува избыточное давление, по отношению к противодавлении выпуска в период газообмена двигателя с ПЭСН, позволяет снизить рабо ту, затрачиваемую на всасывание заряда, и, соответственно, уменьшил общие затраты мощности на протекание процесса газообмена.

Проведенные исследования влияния режимных и конструктивных параметров на работу эжектора системы наддува показали, что наилучшие показатели достигаются при изменении геометрии активного сопла в зависимости от расхода активной среды. В то же время, при-использова-нии ПЭСН с фиксированными конструктивными параметрами наилучшие показатели в широком диапазоне изменения режимов работы ДВС отмечаются при таких параметрах эжектора, которые обеспечивают оптимальные условия его работы в области повышенных скоростных режимов двигателя. Так, например, при частоте вращения коленчатого вала равной 1700 мин-'эжектор Э-17, настроенный на указанный режим, обеспечивает давление наддува 0.108 МПа, в то время, как настройка эжектора на пониженные скоростные режимы позволяет достичь при п = 1700 мин-1 давления наддува 0.105 МПа. При уменьшении оборотов двигателя до 1100 мин-1 более высокую степень наддува обеспечивает ПЭСН с эжектором Э-11, настроенным на соответствующую частоту вращения - 0.104 МПа.

Применение пароэжекционной системы наддува способствует значительному улучшению наполнения цилиндров двигателя по внешней скоростной характеристике при любых рассматриваемых параметрах двигателя. Причем эжектор Э-17 обеспечивает наибольшее повышение т]г по сравнению с безнадцувным вариантом двигателя в области повышенных скоростных режимов (до 18% при п= 1700 мин-1)- В то же время, на пониженных скоростных режимах эжектор Э-11 обеспечивает увеличение цУ до 10.5% (Э-17 - до 9%).

Рассматривая влияние режима нагрузки дизеля на изменение работы всасывания, можно отметить, что с увеличением ре от 0.125 МПа до 0.625 МПа затраты работы на всасывание в одном цилиндре двигателя 44 8.5Л 1 при п = 1700 мин-1 уменьшаются с 364 Дж до 22 Дж за цикл. При более низких частотах вращения коленчатого вала, например, при п = 900 мин-1 уже при значении рс = 0.275 МПа затраты работы всасывания становятся равными 0. Увеличение нагрузки при данной частоте вращения приводит к тому, что на режиме номинальной мощности в процессе наполнения выполняется полезная работа величиной в 296 Дж.

Сравнивая изменение работы всасывания по скоростной характеристике при различных настройках ПЭСН, можно заметить, что в области пониженных скоростных режимов более значительное влияние на уменьшение работы всасывания оказывает применение ПЭСН с эжектором Э-11. Так, по сравнению с безнаддувным вариантом двигателя, эжектор Э-17 при п = 900 мин-1 обеспечивает снижение Ьяс со 124 до 11 Дж. При использований эжектора Э-11 выполняется положительная работа 18 Дж. С увеличением скоростного режима уже двигатель, оборудованный ПЭСН с Э-

17 имеет лучшие показатели: при п = 2100 мин-' работа всасывания уменьшается с 622 до 222 Дж, т.е. на 64 %, в то время, как при использовании эжектора Э-11 Ь»с снижается до 380 Дж или на 39%.

На рис.2 и 3 представлено влияние применения ПЭСН на показатели работы двигателя 448.5/11 по нагрузочной и скоростной ограничительной по температуре характеристикам. Благодаря применению ПЭСН достигнуто снижение удельного эффективного расхода топлива на режимах полных нагрузок до 3.2% и повышение крутящего момента во всей области скоростных режимов в среднем на 8.1%.

0.6 Р., МП»

Рис.2 .

Нагрузочные характеристики дизеля 448.5/11 на режиме 1700 мин

-- без наддува;

----- с применением ПЭСН

Рис.3

Ограничительные по температуре Тг=770К характеристики дизеля

448.5/11: 1 - без наддува; 2 - ПЭСН с Э-11; 3 - ПЭСН с Э-17

В пятом разделе представлен прогноз снижения среднеэксплуатаци-онного расхода топлива дизеля маневрового тепловоза, оснащенного ПЭСН, с учетом статистических данных эксплуатации тепловозов по сети железных дорог СНГ. Оценка резерва повышения топливной экономичности тепловозного дизеля на различных режимах выполнена на основании

опытных данных эксплуатации локомотивов, приведенных работах профессора Хомича А.З.

В качестве критериального используется показатель минимально возможного эксплуатационного расхода топлива - ВЭг, представляющий отношение суммарного количества израсходованного на всех режимах топлива к эталонному расходу топлива. С учетом влияния на экономичность переходных и вспомогательных режимов этот показатель, например, для дизеля 10Д100 составляет 1.34, а для дизеля Д50 - 1.23. Рассмотрены резервы снижения Вэг тепловозного дизеля с ПЭСН по составляющим расхода топлива в эксплуатации.

Продолжительность режимов холостого хода дизелей маневровых тепловозов по оценкам различных авторов, составляет 70 - 75% всего времени работы. При использовании в качестве агрегата наддува ПЭСН снижение продолжительности режимов холостого хода в эксплуатации достигается благодаря сокращению продолжительности прогрева дизеля ввиду подогрева наддувочного воздуха в эжекторе. Прогнозируемое снижение продолжительности режимов холостого хода составляет 13... 18%.

Еще более заметный резерв снижения Вэг связан с лучшей приспособ-пяемостыо дизеля с ПЭСН к условиям работы на режимах холостого хода. Это преимущество обусловлено регулированием температуры наддувочного воздуха, снижением минимальной частоты вращения коленчатого зала двигателя и оптимизацией состава рабочей смеси в цилиндрах по соэффициенту избытка воздуха. Известно, что для дизелей семейства Д100 1ри работе в режиме холостого хода снижение температуры окружаю-цего воздуха с 25°С до 0°С вызывает падение t-lM до 23°С и, как следствие, юст расхода топлива примерно на 7% (против минимального значения фи tint =45°С). При использовании ПЭСН наддувочный воздух непосред-твенно в эжекторе на режимах холостого хода подогревается на 25...30°С, гоэтому оптимальный уровень повышения tiM достижим практически при аобой температуре То.

С учетом уменьшения продолжительности режимов холостого хода и лучшения индикаторных показателей работы дизеля суммарное снижение асхода топлива на этих режимах прогнозируется в пределах от 48 до 50%, то эквивалентно снижению Взг на 5.5%.

Снижение перерасхода топлива на режимах тяги в первую очередь бусловлено улучшением индикаторных показателей работы дизеля с [ЭСН на режимах полных нагрузок, а также качества переходных процес-зв. В работе анализируются резервы снижения составляющих перерас-ода топлива за счет оптимизации состава рабочей смеси по козффициен-у избытка воздуха а, сокращения продолжительности переходных про-ессов и оптимизации tint. Сокращение составляющих перерасхода топлива

применительно к дизелю I ОД 100 позволяет снизить показатель минимально возможного эксплуатационного расхода топлива до 1.25. Сравнение с базовым для данного дизеля значением В3[ показывает возможность снижения суммарной доли пережога топлива на всех режимах на 17%, что эквивалентно снижению среднеэксплуатационного расхода топлива на 3.5%. Расчетное значение Вэг для дизеля Д50 составляет 1.16 (против базового 1.23).

Таким образом, применение ПЭСН в качестве агрегата наддува тепловозного дизеля позволяет снизить среднегодовой эксплуатационный расход топлива маневрового тепловоза в среднем на 3...3.5%.

ВЫВОДЫ

1. Перспективное направление повышения рационального использования энергии в мобильных установках промышленного транспорта связано с созданием систем внутренней утилизации теплоты, основанных на использовании пароэжекционных эффектов для осуществления наддува двигателя.

2. Выполнен анализ схем и конструкций пароэжекционного наддува (ПЭСН). Сравнительная оценка термодинамической эффективности исследованных схем ПЭСН показала целесообразность использования в силовых установках промышленного транспорта средней и малой мощности конструкции одноступенчатого наддува с насосом подачи активной среды, вынесенным за контур системы охлаждения поршневой части двигателя.

3. Разработана и исследована опытная конструкция ПЭСН транспортного двигателя. Экспериментально установлена возможность преобразования в энергию наддува до 40...42% бросовой составляющей теплоты отработавших газов. Достигнуто повышение плотности воздушного заряда на 8... 10% на режимах полных нагрузок практически при неизменном противодавлении выпуску газов из цилиндров двигателя.

4. Предложенная методика расчета эжектора, основанная на определении параметров рабочего процесса по заданным значениям торможения смеси на выходе из диффузора и расходу эжектируемого воздуха, по сечениям в последовательности, обратной направлению течения газов позволяет свести оптимизационную задачу поиска наилучших параметров эжектора к функции одной переменной - степени уширения диффузора.

5. Разработанная математическая модель и программа расчета процесса газообмена, основанная на использовании модернизированного метода РПР с учетом послойных течений, позволяют учесть газодинамические потери в органах газораспределения, связанные с отрывными явлениями и эффектом нестационарного обтекания кромок, дает возможность оценить влияние режимных и конструктивных параметров ПЭСН на пока-

затели газообмена в цилиндрах двигателя установки промышленного транспорта. ;.-■..

6. Замкнутая модель работы двигателя установки промышленного транспорта с ПЭСН представляет собой алгоритм математического моделирования рабочих процессов в поршневой части двигателя и проточных элементах системы наддува. Поиск параметров рабочих сред в газовоздушных трактах КДВС. осуществляется одновременно по двум контурам сходимости: балансов расхода рабочих сред через эжектор и поршневую часть двигателя. Метод позволяет выявить влияние конструктивных параметров каждого из структурных элементов ПЭСН на эффективные показатели работы двигателя транспортной установки в целом.

7. Проведенный комплекс расчетно-экспериментальных исследований позволил' определить условия оптимальной настройки эжектора ПЭСН применительно к изменяемым режимам эксплуатации КДВС. Установлено, что при использовании ПЭСН с фиксированными конструктивными параметрами наилучшие показатели в широком диапазоне изменения режимов работы ДВС обеспечивает эжектор, настроенный на повышенный скоростной режим работы двигателя.

8. В результате расчетно-экспериментальных исследований КДВС с ПЭСН установлено, что достигаемое повышение эффективного к.п.д. (до 3.5%) на режимах полных нагрузок связано как с увеличением индикаторного к.п.д. (до 2.7%), обусловленного повышением действительного коэффициента избытка воздуха ввиду увеличения плотности заряда и улучшения продувки цилиндров двигателя, так и ростом механического к.п.д. [до 0.8%) вследствие снижения работы насосных ходов в период наполнения.

9. Исследована работа дизеля 448.5/11, оснащенного ПЭСН. Экспериментально подтверждена эффективность применения ПЭСН в качестве «регата наддува двигателей установок промышленного транспорта. В меле выявленных преимуществ применения ПЭСН установлены: способ-юсть обеспечивать эффективный наддув в широком диапазоне режимов ксплуатации- КДВС; сокращение продолжительности переходного провеса при ступенчатом набросе 100% нагрузки, в среднем в 1.4 раза; снижение удельного эффективного расхода топлива на режимах полных на-рузок в среднем на 3.2%; снижение выбросов токсичных компонентов с ^работавшими газами КДВС на режимах средних нагрузок: N0* до 27%, глеводородов до 18%; повышение крутящего момента по внешней скоро-гной характеристике в среднем на 8.1%.

10. Прогноз повышения эффективности работы тепловозного ди-гля, оснащенного ПЭСН, с учетом статистических данных эксплуатации аневровых тепловозов, показывает возможность снижения среднегодово-

го эксплуатационного расхода топлива в среднем на 3...3.5%.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1.Крайнюк А.И., Сторчеус Ю.В., Левчук В.П. Расчет эжектора пароэжекционной системы наддува комбинированного двигателя Н Вестник Восточноукраинского государственного университета. - Луганск: Изд-во ВУГУ. Сер. Транспорт. 1996. - С.145-150.

2. Крайнюк А.И., Сторчеус Ю.В., Левчук В.П. Пути совершенствования систем воздухоснабжения дизельных двигателей // Вюник Схщноукра'шського державного унтерситету. - Луганськ: Вид-цтво СУДУ. - 1996. - N1. - С.143-147.

3. Фурса В.В., Сторчеус Ю.В., Левчук В.П. Определение предельно допустимых выбросов вредных веществ для автомобильного транспорта // Конструирование и производство транспортных машин: Тематический сб. научн. работ-Киев: ИСИО. - 1994. -N24. -С.98.10,3. . ' ...

4. Крайнюк А.И., Левчук В.П., Сторчеус Ю.В, Пусковые свойства дизеля с волновым обменником давления // Транспортное машиностроение: Респ. межведомственный научно-техн. сб. - Киев: ВУГУ. - 1995. - С.231-237.

5. Тырловой С.И., Саад А.Х., Сторчеус Ю.В. Изменение характеристик топливных насосов высокого давления при их эксплуатационном износе II Экотехнологии и ресурсосбережение. - 1997. - N2. -С.15-18.

6. Сторчеус Ю.В., Саад А.Х. Некоторые результаты исследования токсичности двигателя маневрового тепловоза II Восточноукр.гос.ун-т,- Луганск, 1996.- 6 с. Деп. в ГНТБ Украины 21.02.96, Ы591-Ук96.

7. Крайнюк А.И., Сторчеус Ю.В., Левчук В.П. Улучшение эксплуатационных характеристик ДВС при использовании пароэжекционной системы утилизации теплоты // Материалы первого республиканского научно-технического семинара по улучшению показателей тепловых двигателей и ресурсосбережению. - Мелитополь: ТГАТА, 1995 -С-19-21. :

8. Крайнюк А.И., Сторчеус Ю.В., Левчук В.П. Повышение топливной экономичности локомотива путем использования пароэжекционной системы наддува тепловозного дизеля II Тез. докл. 5-й международной конференции "Проблемы развития локомотивостроения", Луганск: ВУГУ, 1995-С. 30-31.

АНОТАЦ1Я

Сторчеус Ю.В. Полшшення експлуатацШних показнмв машин промислового транспорту шляхом утил!зашТ теплоти силових установок. - Рукопис.

Дисертац'ш на здобуття вченого ступени кандидата техшчних наук за спе-шальтстю 05.22.12 - Промисловий транспорт. - Схщноукрашський державний утверситет, Луганськ, 1998.

Дисергац^ю присвячено полшшенню експлуатацШних показникт промислового транспорту шляхом утил'пацп теплоти двигушв внутр'шнього згоряння. Розроблено

комплекс математичних моделей робочих процест пароежекщГшсн системи наддуву (ПЕСН): методика пошуку оптимальних параметр!в ежектора, методика визначення по-казникса газообм'юу двигуна э ПЕСН, математична модель узгодження витратиих характеристик двигуна установки промислового транспорту й ПЕСН. Проведено розра-хунково-експериментальш дослщження впливу режимних та конструктивних параметрт системи утшп'зацн на показники роботи двигуна установки промислового транспорту. Результата роботи знайшли промислове впровадження при проектуванш систем повггряпостачання транспортних двигушв.

Ключов'1 слова: промисловий транспорт, теплота, утилЬашя, двигун, наддув, ежектор.

АННОТАЦИЯ

Сторчеус Ю.В. Улучшение эксплуатационных показателей машин промышленного транспорта путем утилизации теплоты силовых установок. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.12 - Промышленный транспорт. - Восточноукраинский государственный университет, Луганск, 1998.

Диссертация посвящена улучшению эксплуатационных показателей промышленного транспорта путем утилизации теплоты двигателей внутреннего сгорания. Разработан комплекс математических моделей рабочих процессов пароэжекциоиной системы наддува (ПЭСН): методика поиска оптимальных параметров эжектора, методика определения показателей газообмена двигателя с ПЭСН, математическая модель согласования расходных характеристик двигателя установки промышленного транспорта и ПЭСН. Проведены расчетно-экспериментальные исследования влияния режимных и конструктивных параметров системы утилизации на показатели работы двигателя установки промышленного транспорта. Результаты работы нашли промышленное внедрение при проектировании систем воздухоснабжения транспортных двигателей.

Ключевые слова: промышленный транспорт, теплота, утилизация, двигатель, наддув, эжектор.

SUMMARY

Starcheous Yu. V. Improvement of industrial transport machines exploitation Aaracteristics by power units heat utilization. - Manuscript.

Thesis for a candidate's degree by speciality 05.22.12 - Industrial transport. East Jkrainian State University, Lugansk, 1998.

The dissertation is devoted to improvement exploitation characteristics of industrial ransport machines by heat utilization of internal combustion engines. The complex of lathematic models of steam-jet-pump supercharging system (SJPSS) working processes as been developed: method of jet-pump optimum paramétrés searching, method of gas-xchange process in engine with SJPSS characteristics calculation, mathematics model f concordans the industrial transport engine with SJPSS consumption characteristics. The îlculation-experimental research of the supercharging system construction and condition arametrcs upon the industrial transport unit engine's working characteristics have been irried out. The results of the work have found an industrial utility in the design of the idustrial transport engines air-supply systems.

Key words: industrial transport, heat, Utilization, engine, supercharging, jet pump.