автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Разработка электрического теплоаккумулирующего нагревателя для дизельных двигателей

£1046 3746

ЩЕГОЛЬКОВ Александр Викторович

РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТЕПЛО АККУМУЛИРУЮЩЕГО НАГРЕВАТЕЛЯ ДЛЯ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 5 НОЯ 2010

Мичуринск 2010

004613746

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

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ Калинин Вячеслав Федорович

доктор технических наук, профессор Дмитриев Олег Сергеевич

кандидат технических наук Гурьянов Дмитрий Валерьевич

Ведущая организация

ГОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет»

Защита диссертации состоится «26» ноября 2010 г. в 12-часов на заседании Диссертационного совета ДМ 220.041.03 в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мичуринский государственный аграрный университет» по адресу: 393760, Тамбовская область, г. Мичуринск, ул. Интернациональная, д. 101, корп. 1, ауд. 206 «Зал заседаний диссертационных советов».

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

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

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

Н.В. Михеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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

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

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

- устойчивость механической структуры в условиях вибрации;

- устойчивый электрический контакт с системой электропитания;

- устойчивый тепловой контакт с нагреваемой средой;

- пожаро- и взрывобезопасность в условиях работы дизельного двигателя;

- приспособленность к системе электроснабжения мобильной техники.

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

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

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

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

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

Научную новизну составляют:

- обоснование возможности использования наноструктурного углерода в материале электрического теплоаккумулирующего нагревателя;

- математическое описание распределения эквипотенциальных линий на поверхности электрического теплоаккумулирующего нагревателя, позволяющее находить тепловое поле с использованием численного решения дифференциального уравнения Пуассона в частных производных;

- принцип работы керамических нагревателей с положительным температурным коэффициентом, при котором снижен пусковой ток.

Практическая значимость:

- конструктивные схемы средств электронагрева питающего воздуха и дизельного топлива, защищенные патентами на изобретение РФ № 2309287 и №2398126;

- повышение топливной экономичности и снижение токсичности выхлопных газов дизельных двигателей в условиях эксплуатации при низких температурах.

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

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

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

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 155 страницах, содержит 50 рисунков, 7 таблиц и 3 приложения. Список используемой литературы включает 120 наименований, из них 15 на иностранном языке.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

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

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

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

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

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

Сформулированы задачи исследований:

1. Разработать нагревательный элемент, способный функционировать в условиях повышенных вибраций дизельного двигателя.

2. Изучить электро- и теплофизические характеристики нагревательных элементов на основе наноструктурного углерода.

3. Разработать математическое описание электрофизических процессов в нагревательном элементе на основе наноструктурного углерода, а также терморегулирования топлива и питающего воздуха в дизельных двигателях.

4. Разработать методику экспериментальных исследований электро-и теплофизических параметров средств электронагрева, а также стендовых испытаний средств электронагрева при терморегулировании топлива и питающего воздуха в дизельных двигателях.

5. Провести экспериментальные исследования средств электронагрева для терморегулирования топлива и питающего воздуха в дизельном двигателе.

6. Провести производственные испытания системы терморегулирования на основе нагревательных элементов с наноструктурным углеродом и устройства терморегулирования питающего воздуха и дать экономическую оценку представленных средств электронагрева.

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

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

Гср-ЛФср). (1)

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

32<р Э2ср , дх ду

где х и у - пространственные переменные, м; ср - потенциал электростатического поля, В; р - заряд электростатического поля, Кл; е - диэлектрическая проницаемость материала, Ф/м; е0 - диэлектрическая проницаемость вакуума 8,85-Ю"12 Ф/м.

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

С/1ш = (Р- (3)

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

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

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

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

ф(х) = а + Ьх + сх2 + сЬс3, (4)

где а, Ъ, с, <1- коэффициенты уравнения; х - координата, в направлении которой меняется распределение потенциала ф, В.

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

а) 6)

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

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

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

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

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

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

к о н

т р

о л л е Р

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

устройства терморегулирования топлива

форсунки

>(5)

дбфго!

ФГО I ФТО

I ¡И \ Ш

Рисунок 3 - Схема для расчета теплового баланса в системе топливоподачи

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

рэиСэпйэп^зп= (Рзн + Рэл)- Ки2Р\(Тэн - ) - К^!(Гэа - Гокр); сЁТ1

РэаСэаЛэа^эа = ~ (Тт ~ Тт)'

начальные условия т > 0; Гэа = Т.м = +20°С; Ттоп = Гокр = -20°С; Т = Г(т); параметры варьирования Рэз, Рж; Р = Р{т),

где Т^эа? ^ь Fз - площади теплоаккумулирующего и греющего

слоя ЭТН, теплообменной поверхности теплоаккумулирующего и греющего слоя, теплообменной поверхности греющего слоя с окружающей средой, теплообменной поверхности греющего слоя с топливом, топливопроводов, ФТО и ФГО, соответственно, м2; Рэа, Рэи - электрическая мощность теплоаккумулирующего и греющего слоя, соответственно, Вт; Гэтн, Гнаг, Гт, Гокр -температура теплоаккумулирующего и греющего слоя ЭТН, топлива и окружающей среды, соответственно, °С; Сэа, Сэ„, Ст - теплоемкость теплоаккумулирующего и греющего слоя ЭТН и топлива, соответственно, Дж/(кг-°С); К\-2, К2-з, К\, Къ - коэффициенты теплопередачи от теплоаккумулирующего слоя к греющему слою ЭТН, от греющего слоя в топливо, от теплоаккумулирующего слоя в окружающую среду, от элементов топливной системы в окружающую среду, соответственно, Вт/(м2-°С); рзн, рэ„, рт -плотность греющего, теплоаккумулирующего слоев ЭТН и топлива, соответственно, кг/м3; /гэ„, /?аэ - высота теплоаккумулирующего и греющего слоя ЭТН, соответственно, м; Ут - объем топлива, м ; т - время, с.

Решение системы уравнений (5) производили методом Рунге-Кутта 4-го порядка. На рисунке 4 представлены графики численного решения системы уравнений (5). Из рисунка 4, а видно, как меняется температура

топлива в устройстве с ЭТН с течением времени, при этом температура топлива приближается к значению температуры ЭТН. На рисунке 4, б показана зависимость мощности ЭТН от температуры топлива при окружающей температуре -20°С.

т,°с

30 20

10

о

/ ч

/

6)

а - динамика изменения температуры ЭТН (7); динамика изменения температуры топлива (2); б - зависимость мощности ЭТН от температуры топлива Рисунок 4 - Графики численного решения системы уравнений (5)

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

РКН^КН^КН^К!

оТ„

Л

кн р _ 1/

КН "-К

Р (Т

Г КН V1 КЕ

" Те ) ^уст^уст

(Та ^окр)»

Л

АТ

о С V в = К Р

Рв'-'в'в ^ КН КН

, ^кн^кн(^кн Тв) К,

БОЗ ^ВОЗ (Тв Тът) КколГк(Тв Т^олХ

У (6)

температура поступающего воздуха

т=(твув+тежувкуу1в-,

начальные условия т> 0; Ткн = Тв = Г01ф = -30°С; Г= 7Т(т); параметры варьирования Рк , йь Р = Р(Т), где Рт, Ру„, Рв03, Рк - площади поверхности нагревателя, воздуховодов и питающего коллектора, соответственно, м2; Рк - мощность керамических нагревателей, Вт; Тш, Тв, Твк - температура керамических нагревателей, воздуха, проходящего через нагреватель, и воздуха, всасываемого при работе двигателя, соответственно, °С; Сш, Св - теплоемкость материала нагревателей и воздуха, соответственно, Дж/(кг-°С); Кт, Кус7, Кът, Ккап - коэффициенты теплопередачи от нагревателей воздуху, от корпуса устройства в окружающую среду, от воздуховодов в окружающую среду, от нагретого воздуха к впускному коллектору, соответственно, Вт/(м2-°С); /гИ| - высота

нагревателя, м; рш - плотность материала керамического нагревателя, кг/м3; VB, VB K - объем воздуха, проходящего через устройство электронагрева и всасываемого при работе двигателя, соответственно, м3.

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

бфаз = ^кн Кн ркн (Тпер " Тит) + Е + Кш Р(ТШ - Те03)/Х, (7)

где Гпер, Ттн - температура переключения и начальная температура керамического нагревателя, соответственно, °С; Е - энергия фазового перехода в керамическом нагревателе, Дж.

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

Программа экспериментальных исследований включает:

- изучение электро- и теплофизических параметров нагревательных элементов, входящих в состав средств электронагрева;

- обоснование выбора режимных и конструктивных параметров средств электронагрева;

- установление влияния средств электронагрева на расход топлива и токсичность выбросов дизельных двигателей.

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

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

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

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

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

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

1 - керамические нагреватели с ПТК; 2 - амперметры; 3 - ЛАТР Рисунок 5 - Принципиальная электрическая схема измерения силы тока в нагревательном модуле

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

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

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

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

Показано, что распределение температурного поля на поверхности ЭТН соответствует распределению эквипотенциальных линий. В процессе экспериментальных исследований определены ВАХ

ЭТН на основе различных материалов: цемента с 2%-ным добавлением парафина (8); парафина (9); воска (10).

/, = (С/-0,1)/5,97; (8)

/2 = <£/-0,1)/3,725; (9)

/3 = (С/-0,1)/2,65. (10)

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

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

£

т . ■ II Ш IV

:

1 . - I

■у

*

2 см 2 см 4 см

48,6 °С

яшя

Рисунок 6 - Распределение температурного поля на поверхности ЭТН

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

С,

Дж/(кг-°С)

12000 10000 8000 6000 4000 2000 0

/

30

40

50

60

70

80

90

Т,° С

Рисунок 7 - Температурная зависимость теплоемкости ЭТН

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

Исследования керамических нагревателей с ПТК показали (рис. 8), что уменьшив уровень питающего напряжения, при включении до значения, при котором не происходит фазовый переход, можно значительно уменьшить пусковой ток (точки 1а и 16). При этом необходимо поддержать уровень такого напряжения до тех пор, пока не произойдет разогрев керамического нагревателя и теплообменного устройства. Точки 2а и 26 соответствуют выходу на рабочий режим, что является следствием завершения фазового перехода первого рода, За и 36 соответствуют процессу естественного спада тока, что вызвано физическими явлениями на молекулярном уровне.

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

ДА

40 30 20 10

20 40 60 80 100 120 140 160

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

-с промежуточным напряжением

Рисунок 8 - Изменение силы тока керамических нагревателей с ПТК во времени

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

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

М(СО) = (12,011 + 0,347 Т+ 0,0088 Г2)/(I + 0,1029 Т+ 0,0089 Т2); (11)

М{СН) = (0,593 + 0,000959 7)/(1 + 0,0232Г+ 0,000287 Г2). (12)

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

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

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

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

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработано устройство терморегулирования для дизельного топлива с нагревательными элементами на базе наноструктурного углерода, обладающими свойствами теплоаккумулирования, стабильностью энергетических параметров в условиях работы дизельного двигателя и возмож-

ностью плавного регулирования температуры в диапазоне от +30 до +50°С.

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

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

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

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

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Kalinin, V.F. Simulators of joint working modes of fuel and feed air temperature control means in diesel engines / V.F. Kalinin, A.V. Shchegolkov // Aspects of modern science and practice. University named after V.l. Vernadskij. -2010. - № 1 - 3(28). - P. 23 - 27.

2. Калинин, В.Ф. Снижение токсичности выбросов дизельных двигателей путем применения электроадаптивной системы термостабилизации топлива / В.Ф. Калинин, A.B. Щегольков // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. - 2008. - № 3 - 2(13). -С. 173 -178.

3. Набатов, К.А. Математическая модель саморегулируемого электронагрева охлаждающей жидкости в двигателя / К.А. Набатов, A.B. Щегольков, C.B. Кочергин // Вестник Тамбовского государственного университета. - Тамбов, 2004. - Т. 9, № 4. - С. 493 - 496.

4. Электронагревательное устройство для тракторных и автомобильных двигателей / A.M. Шувалов, C.B. Кочергин, П.А. Телегин, A.B. Ще-гольков // Сельский механизатор. - 2006. - № 9. - С. 36.

5. Режимы работы электронагревательного устройства охлаждающей жидкости при различных видах циркуляции / A.M. Шувалов, C.B. Кочергин, П.А. Телегин, A.B. Щегольков // Вестник Московского государственного аграрного университета им. В.П. Горячкина. - 2007. - Т. 3/2 (23). -С. 130-132.

6. Шувалов, A.M. «Кочегарка» для двигателей / A.M. Шувалов, A.B. Щегольков, П.А. Телегин // Сельский механизатор. - 2007. - № 11.-С. 48.

Публикации в сборниках научных трудов и материалах конференций

7. Калинин, В.Ф. Система электронагрева питающего воздуха и терморегулирования топлива в дизельных двигателях / В.Ф. Калинин, A.B. Щегольков // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - Тамбов, 2009. - Т. 15, № 2. - С. 396 - 400.

8. Калинин, В.Ф. Повышение энергоэкологической эффективности дизельных двигателей путем терморегулирования топлива и моторного масла / В.Ф. Калинин, A.B. Щегольков // XV Междунар. науч.-практ. конф. «Транспорт, экология - устойчивое развитие». Ековарна, 21-23 мая. -Варна, 2009.-С. 431 -440.

9. Калинин, В.Ф. Электро-аэродинамическая система облегчения запуска двигателей внутреннего сгорания / В.Ф. Калинин, К.А. Набатов, A.B. Щегольков // Материалы Всерос. науч.-практ. конф. «Актуальные проблемы агропромышленного комплекса» / ФГО Ульяновская ГСХА. -Ульяновск, 2008. - С. 78 - 80.

10. Калинин, В.Ф. Исследование конструктивных параметров устройства разогрева двигателей автотракторной техники на основе метода конечных элементов / В.Ф. Калинин, A.B. Щегольков // Повышение эффективности использования ресурсов аграрными товаропроизводителями : сб. науч. тр. ГНУ ВИИТиН. - Тамбов : ГНУ ВИИТиН, 2006. - Вып. 11. -С. 11-19.

11. Щегольков, A.B. Повышение эффективности эксплуатации автотракторной техники в зимний период / A.B. Щегольков // Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции : сб. науч. докл. XIV Междунар. науч.-практ. конф. / A.B. Щегольков. - Тамбов : ГНУ ВИИТиН, 2007. - Ч. 2. - С. 50-51.

12. Щегольков, A.B. Методика экспериментальных исследований электро-тепловых процессов ДВС / A.B. Щегольков // Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции : сб. науч. докл. XIV Междунар. науч.-практ. конф. - Тамбов : ГНУ ВИИТиН, 2007. - Ч. 2. - С. 55 - 57.

13. Калинин, В.Ф. Разработка электро-аэродинамической системы облегчения запуска двигателей внутреннего сгорания / В.Ф. Калинин, A.B. Щегольков // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве : тр. 6-й Междунар. науч.-техн. конф., г. Москва, 14 мая 2008 г. / Всерос. науч.-исслед. ин-т электрификации сел. хоз-ва. - М., 2008. - Ч. 2. -С. 302-307.

14. Щегольков, A.B. Аэродинамический разогрев автотракторной техники в период зимней эксплуатации / A.B. Щегольков // Труды ТГТУ. -Тамбов, 2006. - № 19. - С. 112 - 114.

Патенты на изобретение

15. Пат. 2309287 Российская Федерация, МПК7 F 02 N 17/04. Устройство для облегчения запуска двигателя внутреннего сгорания / А.М. Шувалов, A.B. Щегольков, C.B. Кочергин ; заявитель и патентообладатель Гос. науч. учреждение ВИИТиН. - № 2006120004/06 ; заявл. 07.06.06 ; опубл. 27.10.07, Бюл. № 17. - 5 с.

16. Пат. 2398126 Российская Федерация, МПК7 F 02 M 31/125. Система терморегулирования топлива и моторного масла в дизельных двигателях / В.Ф. Калинин, A.B. Щегольков ; заявитель и патентообладатель Гос. науч. учреждение ТГТУ. - № 2009115275/06; заявл. 21.04.09 ; опубл. 27.08.10, Бюл. №24.-8 с.

Подписано в печать 21.10.2010 Формат 60 х 84/16.0,93 усл. печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 517

Издательско-полиграфический центр ГОУ ВПО ТГТУ 392000, Тамбов, Советская, 106, к. 14

Введение.

1. Анализ информационных источников и постановка задач исследования.

1.1. Влияние работы дизельных двигателей на окружающую среду.

1.2. Технические средства для улучшения параметров дизельных двигателей в условиях низких температур окружающей среды.

1.2.1. Устройства для подогрева моторных масел.

1.2.2. Устройства для подогрева низкотемпературной жидкости в системе охлаждения двигателя внутреннего сгорания.

1.2.3. Устройства для подогрева дизельного топлива.

1.2.4. Устройства для подогрева впускного воздуха дизельных двигателей.

1.3. Электрические нагревательные элементы.

1.4. Аспекты нанотехнологий применительно к получению материалов с улучшенными параметрами

1.5. Постановка задач исследования.

2. Теоретические обоснования по разработке электрических нагревателей для дизельного двигателя.

2.2. Математическое описание распределения электрического потенциала на поверхности ЭТН.

2.3. Обоснование геометрической формы и элементов конструкции ЭТН.

2.4. Разработка математической модели устройства терморегулирования топлива с ЭТН для дизельного двигателя.

2.5. Теоретическое обоснование режимов работы керамических нагревателей с положительным температурным коэффициентом.

2.5.1. Разработка математической модели устройства терморегулирования питающего воздуха в дизельном двигателе.

3. Программа и методика экспериментальных исследований

3.1. Программа экспериментальных исследований

3.2. Методика экспериментальных исследований электрофизических характеристик ЭТН.

3.3. Методика исследования теплофизических характеристик ЭТН.

3.4. Методика исследований параметров средств электронагрева для терморегулирования дизельного топлива и питающего воздуха.

3.4.1. Методика исследования параметров устройства терморегулирования питающего воздуха.

3.4.2. Методика исследования параметров устройства терморегулирования топлива с ЭТН.

3.5. Методика исследования температурных режимов в топливной системе.

3.6. Методика исследований влияния устройств терморегулирования на эксплуатационные параметры дизельного двигателя (на примере СМД-62)

4. Результаты экспериментальных исследований и их анализ.

4.1. Исследование электрофизических характеристик ЭТН.

4.2. Исследование теплофизических характеристик ЭТН.894.3. Исследование распределения температурного поля на поверхности ЭТН.

4.4. Исследование параметров устройства терморегулирования дизельного топлива.

4.5. Исследование параметров устройства терморегулирования питающего воздуха.

4.5.1. Исследование пускового тока керамических нагревателей с ПТК.

4.6. Исследование влияния устройств терморегулирования на эксплуатационные параметры дизельного двигателя на примере СМД-62).

5. Практическое использование и экономическая эффективность результатов исследований.

5.1. Результаты производственных испытаний.

5.2. Оценка экономической эффективности

На сегодняшний момент дизельные двигатели внутреннего сгорания нашли широкое применение в различных сферах экономики РФ [1]. В ряде случаев на их долю приходятся ответственные задачи, связанные с автономным и аварийным питанием электропотребителей. Их используют на транспорте для аврийно-ремонтных бригад. В условиях эксплуатации с низкими температурами сталкиваются с проблемами запуска, при этом возникают вопросы со снижением ресурса и энергоэкологических параметров.

Основная причина, вызывающая ухудшение параметров дизельных двигателей в зимний период - низкая температура окружающей среды [1 - 7]. В этом случае, целесообразно компенсировать её воздействие путём доведения до оптимального значения температуры важных элементов двигателя и его эксплуатационных жидкостей.

Наиболее эффективным, с точки зрения массогабаритных параметров, является жидкостный подогреватель. Однако в ряде случаев, как показывает эксплуатация, он сам требует длительной подготовки к запуску, причем особое внимание при его эксплуатации следует уделить соблюдению правил пожарной безопасности. К тому же работа представленного подогревателя сопровождается выделением токсичных компонентов, свойственных процессу горения [8].

Эффективной мерой поддержания рациональных эксплуатационных параметров для дизельных двигателей в условиях низких температур окружающей среды являются средства электронагрева [5 - 7]. К преимуществу этих устройств следует отнести компактность, отсутствие вредных выбросов в окружающую среду и возможность плавного регулирования. Также важно отметить, что электрические нагреватели возможно размещать в различных точках двигателя, к числу которых относятся: топливная система, система охлаждения и система маслоснабжения.

Однако, распространение средств электронагрева для мобильной техники сдерживается из-за отсутствия приспособленных для работы в условиях повышенных вибраций нагревательных элементов. Особенностью работы нагревательных элементов в условиях повышенных вибраций дизельного двигателя и резких перепадов температуры является склонность к нарушению электрического и теплового контакта или механическое разрушение.

Важно учитывать и то, что энергетические параметры средств электронагрева должны соответствовать рабочим режимам дизельного двигателя. Это позволяет расширить эффективность средств электронагрева.

Резистивные металлические нагреватели в ряде случаев не удовлетворяют потребностям современных устройств электронагрева для дизельных двигателей. Это привело к использованию керамических нагревателей, что потребовало дополнительных затрат на реализацию сложных теплообменных устройств и их защиты от повышенных вибраций двигателя внутреннего сгорания. Преимущества керамических нагревателей с положительным температурным коэффициентом, выражаются в возможности регулирования собственной температуры, однако, они чувствительны к вибрациям дизельного двигателя. Стоит подчеркнуть, что нагревательная керамика с эффектом саморегулирования поддерживает собственную температуру, а не температуру топлива, моторного масла или охлаждающей жидкости.

Как показывает информационный анализ [1 - 59], способы и технические средства улучшения энергоэкологических показателей дизельных двигателей совершенствуются в плане конструктивной модернизации по отдельным компонентам [17 - 32]. В тоже время следует отметить, что нарушение энергоэкологических характеристик дизельного двигателя складываются из целого ряда факторов [3 - 5].

Таким образом, явным направлением повышения эффективности средств тепловой подготовки дизельного двигателя, является разработка нагревательных элементов имеющих устойчивый электрический и тепловой контакт. Необходимо отметить, что нагревательные элементы на основе керамики эффективны для разогрева воздуха, что может быть использовано при терморегулировании питающего воздуха в момент пуска и прогрева дизельного двигателя.

На основании выше изложенного можно утверждать, что разработка средств терморегулирования топлива и питающего воздуха с использованием современных достижений в области электротехнологии представляет актуальную научно-техническую задачу.

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

Научную новизну составляют:

- обоснование возможности использования наноструктурного углерода в материале электрического теплоаккумулирующего нагревателя;

- математическое описание распределения эквипотенциальных линий на поверхности электрического теплоаккумулирующего нагревателя, позволяющее находить тепловое поле с использованием численного решения дифференциального уравнения Пуассона в частных производных;

- принцип работы керамических нагревателей с положительным температурным коэффициентом, при котором снижен пусковой ток.

Практическая значимость:

- конструктивные схемы средств электронагрева питающего воздуха и дизельного топлива, защищенные патентами на изобретение РФ № 2309287 и № 2398126;

- повышение топливной экономичности и снижение токсичности выхлопных газов дизельных двигателей в условиях эксплуатации при низких температурах.

Реализация результатов исследований. Метод расчета нестационарных тепловых процессов разогрева элементов двигателей мобильной техники использовался ОАО «Тамбовгражданпроект» при создании рабочего проекта безгаражного хранения автотракторной техники «База АВП Моршанского

УМГ» для ООО «Мострансгаз». Устройство терморегулирования топлива и питающего воздуха внедрено в ООО «Знаменское», с. Знаменка Токаревского р-на Тамбовской области.

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