автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Термодинамические основы повышения топливной экономичности транспортных дизелей за счет утилизации сбросной теплоты

ХАРЬКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ п г г л п ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Р I й О Д

На правах рукописи

МАРЧЕНКО Андрей Петрович

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОВЫШЕНИЯ ТОПЛИВНОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ

ТРАНСПОРТНЫХ ДИЗЕЛЕЯ ЗА счет УТИЛИЗАЦИИ СБРОСНОЯ ТЕПЛОТЫ

6S.64.dSt Теплой* дювигейн

Ав1ореферз? диссертации м» сопскамж ученой степени доктора технических паух

-Хдрм'е-» - П<Н

Диссертяак* «ямиится руадпмсыо

Работ« выполнена ца кафедре "Двигатели внутреннего сгррлиия Харьковского пкумрепвняего панитехвниеского университета

Научный консультант - доктор технических паук,

профессор Шокотов Н.К.

Официальные оппоненты ~ доктор технических наук,

профессор Сахаревнч В.Д.

доктор текюпескнх наук, профессор Рыбшчшо А.Г.

доктор технических наук, профессор Стефавовский Б.С

Ведущая организация МПЯЪна НАН Украивы

Защите штате» "IzJ" JL ЮМ г. в часов в ауд_££;-3 ва заседают смшвдщнрованного совета Д 114.04.01 по тепловым двигателям при Харьковской государственной академш железяододежяего треимпорта по адресу:

ЗЮО50, г, Харьков - 50, площадь Фейербаха, 7.

С днссертацзцней мэжяо ознакомиться в библиотеке Харьковской государственной академии железводоровивого транспорта. с '

Автореферат разослав "Л- Ж- 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета

Лялхж B.ML

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ, АГСШУШЮСПЗ б СТПШНЙ КССЛВДОВАННОСТП ТЕМАТИКИ ДЙСШТАВДЙ Из основных тенденций мирового развития двигателей внутреннего сгорания (ДВС) на первое место на Украине выдвигается повышение топливной экономичности, что обусловлено затруднениями с обеспечением моторным топливом зб счет импорта.

Среди новых подходов к проблеме сншсения расхода топлива две в последнее время большое внимание уделено разработке так называемых турбокомпаундаых ДВС, т.е. двигателей с силовыми газовыми турбинами (СТ) и система?® вторичного иотоль-зования теплоты (ВИТ). О таких силовых установках (СУ) поп вились многочисленные публикации. Однако представленные этих публикациях исследования затрагивают главным образеа судовые и стационарные КДВС и не имеют единого термоданагл-ческого подхода, причем, цилиндр КДВС и системы утилизацш? теплоты чаще всего рассматриваются независимо друг от друпз.

Крайне недостаточно данных об условиях афЬэктквиосгл турбокомпаундных двигателей наземного транспорта. Мировой опыт даигателестроения, а тага» наш исследования показывают, что существенно обостряются научные п прикладные проблэ-мы для таких СУ. В настоящее время в странах СНГ в облаете создания утилизационных контуров дизелей наземного транспорта накоплен лишь первоначальный теоретический опыт, отсутствуют или носят фрагментарный характер данные по (характеристикам совместной работы КДВС и систем ВИТ. Поэтому назрело настоятельная потребность в обобщении и систематизации сувл-ствуиаих наушых положений теории рабочих процессов г/р<зс> • кекпаундкых две наземного транспорта на' основе категория 1-го и 2-го законов термодинамики, а тнюп в разработке соа-

рзманной методологий моделирования, анализа а оптимизации параметров этих двигателей, которая включает совокупность методик теоретического в экспериментального исследования, обеспечивающих выбор рациональных конструктивных и термодинамических параметров,, схемных решение СУ.

С учетом втого в представленной к защите диссертации разработаны тврмодинамическве основы повышения топливной экономичности транспортных дизелей за счет утилизации сбросной теплота, предложены дута реализации этих теоретических положений в практику двягвтелвстроения, что при общей характеристике диссертационной работы позволяет ее квалифицировать как актуальную, направленную на решение крупной научно-техническое проблемы, которая имеет важное прикладное значение.

ЦЗЛЬ В ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Разработка термодинамических основ повышения топливной экономичности транспортных дизелей за счет утилизации сброс-вой теплоты является цель» исследования. Для ее достижения определены следующие основные задачи:

1. Разработка основ теории максимального теолоиспользо--вания в двигателях внутреннего сгорания.

2. Разработка методологии теоретического и экспериментального исследования комбинированных транспортных ДВС с системами утилизации теплоты, состоящей из комплекса методик моделирования, анализа в оптимизации турбокомлаундакх ДБС.ба-зяруоцкхся хах на известных полевениях теории, так и на новых научных положениях, органически сочетающих первый и второй законы термодинамики.

3. Проведение расчетно-эксперимантального исследования турбокомпаундных ДОС я «шалиа основных влияющих факторов на'

эффективность. КДВС с системой утилизации теплоты в зависимости от условий эксплуатации СУ. . „ .

4. Научное обобщение и выработка практических рекомендаций, обеспечивающих максимальное теплоисполъзование в комбинированных ДВС транспортных силовых установок.

ОБОСНОВАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ПРАКТИЧЕСКОЙ ЦЕННОСТИ

ИССЛЕДОВАНИЯ И ЕГО НАУЧНОЙ НОВИЗНЫ Теоретическая ценность диссертационной работы определяется новыми алгоритмами и методиками расчетно-эксперимен-тального исследования комбинированных ЛВС (КДВС) о СТ. и системами ВИТ, научными обобщениями автора, выполненными на базе единого термодинамического подхода, рекомендациями по выбору и реализации путей совершенствования теплоиспользования дизедей. При этом практическая ценность диссертационной работы определяется результатами•расчетио-эксперимен#алыюго исследования НДВС с силовыми газовыми турбинами я системами ВИТ, комплексом методик и алгоритмов для проведения 'этого исследования, которые в ходе выполнения хоздоговорных и госбюджетных НИР переданы к использованию в промышленности,

отраслевых и академических институтах. В.рабом:

1. Показана возможность, применения систем утилизации теплоты яа автотракторных двигателях типа СЦД (4ЧН12/14, 6ЧН13/11,5),тепловозных дизель-генераторах типа 1ОД100 и ДВО (соответственно 10ДН20.7/2-25,4 и 16ЧН26/27), а также' на трэнстюртном дизель-генераторе типа 16ЧН32/32, которые при • утилизации теплоты ОГ на номинальном режиме позволяют уменьшить удельный эффективный расход топлива 1 на величину до 15 г/(кВт.ч), утилизации тешют отработавших газов (ОГ), ох-лаждаюдей жидкости (0*), промохлзждвния воздуха - до 20 - ?Л г/(кВТ.ч), причем, среднйэксплуятащганный расход топливе р

V 6 -

уменьшается соответственно на 3 - 6 ■ 5 -8 г/(кВт.ч).

2. Обосновано, что рационально» системой утилизации судовых ДЭС типа ОД0/50 каботажного в портового флота в условиях Крнма является система, нключащая теплоСикационный контур в опреснительную установку, позволяющая компенсировать окаю 30* затрат на топливо.

3. Разработаны н передай промышленности схемные решения КДВС с система« утилизации вторичных энергоресурсов автотракторных, тепловозных к судовых ДВС, выбраны рациональные термодинамические и конструктивные параметры систем утилизации вторичных энергоресурсов ДВС.

4. Представлены результаты расчвтно-акспвржментального ' исследования КОВС с силовыми газовыми турбинами я утилизационными цпелама Решена, вотуме показали. что: '

4.1. Силовая газовая турбвва в система ВИГ при Нву « сопа1 позволяет разгрузить порашевой двигатель по среднему иядихаторному давлению в для высокофорсжрованных ДВС получить снижение ^ не только за счет работы дополнительных систем, во в цилиндра ДВС;

4.2. Параметры рабочего процесса- СГ, утилизационного цикла Рвнхина в цилиндра ДВС вмевт взаимную зависимость;

4.3. Вариатор,' примененные в турбокомпаундной схеме с СТ расширяет номенклатуру КДВС, для которое возможно использо-- ваяие СТ, является важным - фактором повышения эффективности

СУ, позволяющим дополнительно на 2-4 г/исВт.ч> уменьшить среднеэксплуатационный расаод хоолива по СУ, а также умень-ввть о 0,72-0,75 до примерно 0,70 минимальные значения КПД лопаточных машин, выюе которых применение СТ становится рацвовалыам.

Б. Проедены результат* ивсмяокишг. в» двигателе

16ЧН26/27 высокотемпоратурного охлаждения (ВТО).позволившие:

5.1. Получить качественные и количественные характеристики перераспределения при ВТО статей теплового баланса, параметров рабочего процесса, характеристик температурного со-

I

стояния гильзы и крышки цилиндров.

5.2. Показать, что эффективное использование теплоты Ой комбинированного ЛВС в паросиловых циклах Ренкина возможно лишь при ВТО.

5.3. Обосновать возмоиность работы двигателя 16ЧН26/27 при ВТО с температурами ОЯ на выходе из ДВС более 110 °С.

6. Отмечено, что практическое значение имеют экспериментальные стенды и методики проведения испытаний, а такяз методики теоретического исследования систем утилизация теплоты тепловозных, судовых и автотракторных ДВС.

Научнур новизну исследования составляет: ,

1. Термодинамические основы: теории образцовых циклов (ОЦ) тепловых двигателей с максимальным теплоиспользованием, включающие новые соотношения теоретического анализа этих циклов, описывающие как энергетические, тек и эксергетичес-кие показатели поршневых двигателей, силовых газовых турбин, систем газотурбинного наддува (ГТН) и утилизации теплоты, позволяющие на основании разработанных методик теоретического и экспериментального исследования произвести оценку резервов совершенствования теплоиспользования в силовых установках с ДВС; теории бинарных циклов применительно к ОЦ двигателей внутреннего сгорания и смежных с ними систем утилизации теплоты. ,

2. Объединенное уравнение для зФ1йктирного 4 эксергети-ческого КПД тепловых двигателей. .

3. Схемные рчвчния комОинировиншх ДВС с системами ути-

лизации теплоты.

4. Комплекс методик и алгоритмов расчетно-экспериме тального исследования рабочих процессов ВДВС с система утилизации теплоты, учитывающих особенности схемных решен СУ. вклвчавдий: методику расчета рабочего процесса СУ, со тоящай из ДВС, силовой газовой турбины, систем утилизац теплоты и ГТН; метод расчета рабочего процесса в цилинд паровой расширительной машины, реализованный в дифферонц ально* форме на основании уравнений состояния реальных рао чих тел (РТ); методику анализа реальных процессов в узл комбинированного ДВС (в том числе я в цилиндре), основанн на положениях 1-го и 2-го законов термодинамики (балансы т □лоты, работы, эксергин и анергии); методику экспериментал вого исследования макетного образца СУ с НДВС и утилизацио ным паросиловым циклом Ранкина: методику экспериментально: исследования высокотемпературного охлаждения двигателя ти 16ЧН26/27; методику физического моделирования на одаоцилиа ровом отсеке и поршневом двигателе рабочего процесса комб! нированного ДВС с силовой турбиной и системой ВИТ.

5. Качественные и количественные характеристики улучим нил тешюиспольаования в КДВС за счет применения систем уп лизации сбросной их теплоты.

• 6. Результаты оценки влияния условий эксплуатации КДВ< параметров окружающей среда, применяемых в цикле Ренкина р« бочих тел ва схемные решения силовой установки, рационалыа термодинамические и конструктивные параметры, а также эффе» тиввость СУ.

7. Результат оценки влияния систем утилизации тешки на показателя внутрищиинлровых процессов ДВС.

в. Энергетические и ексергетические диаграмаш рвбочя

троцессов в цилиндре ДВС а смежных с шм систем утилизации ге плоты.

УРОВЕНЬ рвиподции. ЦЩДДНИН НДГЯВ РАЗРАБОТОК

Диссертация выполнена в соответствие с отраслевыми координационными планами НИР и ОКР Министерства тяжелого и гранспортного машиностроения СССР по созданию транспортного дизель-генератора типа ЧН32/32 (постановление ГКНГ ССОР (i 467/241 от 9.12.1980 г.). Ыинтракторосальхозмааа СССР по проведении научных исследований и разработке технического проекта комбинированного адиабатного дизеля и по создало»

перспективных тракторных двигателей (постановления ГИНГ СССР

»

Я 375 от 8.09.1960г. в Н 555 ОТ 30.10.1965г.).

Результаты научного исследования переданы: по тапловоз-аым дизель-генераторам на ПО "Завод имени Мадыяева" (технический проект двигателя Д80), автотракторным КДВС - ГСКВД (г.Харьков), НИКТИД (г.Владимир), HAH Украины, на JDT и, наконец, применительно к судовым ДВС - Керченскому заводу "Залив" и морскому торговому порту. Они используются такие в практике научно-исследовательских работ лаборатории перспективных двигателей каф. ДВС ХГПУ, а такие в учебном процессе для студентов специальности 15.01 - двигатели внутреннего сгорания при чтении курсов*: "Термединамика", "TeopKrf рабочях процессов в ДВС", "Системы наддува и утилизации в ДВС".

Эффект от внедрения результатов диссертационного исследования оценен в 89,5 млн. кр<5. в год по ценам первого квартала 1993 года и около 150 тыс. рублей по ценам 19вЗ года.

АПРОБАЦИЯ И ПУБЛИКАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ НАУЧНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ, СТРУКТУРА Я ОВЬЕМ ДИССЕРТАЦИОННО» РАБОТЫ

Апробация работы. Основные положения ж результаты диссертационной рассты доложены на tS всесоюзных, рестгубликчн-

стаи в отраслевых научно-технических конференциях: "Высок наддув поршневых двигателей в роторные двигатели" (Тбилис АН Грузии, 1981г.); "Повышение эффективности использов ния автомобильного транспорта и автомобильных дорог в уел виях варкого климата в высокогорных районов" (Ташкент, ТАЛ 1932г.); "Создание и совершенствование быстроходных дизеле (Токмак, ПО "Ювдазельмаш", 1962г.); "Современный уровень пути совершенствования экономических и экологических показ телей" (Ворошиловград, ВМИ.1983г.); "Направления исследов ний по экономии жидкого топлива автономными локомотивам (Коломна, ВНИТИ, 1984г.); "Проблемы форсирования и надежно ти тракторных в комбайновых двигателей" (Владимир, НИКГИ 1985 г.); "Теория в расчет мобильных машин и двигателей вн, тренвего сгорания" (Тбилиси, ИЫМ АН Грузии, 1985 г:); "Пр мвнеше аксергетвческих методов анализа в оптимизации целью повышения эффективности использования анергетичесю ресурсов" (Киев, ИТТ АН Украины; Николаев, НКИ, 1986 г. "Перспективы развития комбинированных двигателей внутренне: сгорания в двигателей новых схем на новых топливах" (Моста МВТУ, 1987 г.); "Применение аксергетвческих методов анали: в оптимизации о целью повышения эффективности использован) энергетических ресурсов"(Киев, ИТТ АН Украины; Харьков. ХЛ 1968 г.); "Актуальные проблемы технического прогресса суд! шх турбинных установок" {Ленднград, ЛНИ. 1989 г.); "Экса] готический метод анализа в его применение в технических юишошлескжх задачах" (Киев, ИТТ АН Украины; Нихолаев, НЮ 1990 г.); "Цровлаш! экономичности в эксплуатации дввгатс лай внутреннего сгорания в АПК СССР" (Саратов, СИЫСЗ 1990 т.); "Рабочее процессы в ДВС с ограниченным отводе Т*ШШ" (Нжажб1фсх, ИЛИ СО АН СОСР, 1990 г. ); "Актуал*

ше проблемы развития двигателей внутреннего сгорания и ди~ юльных установок" (Ленинград, ЛКИ, 1990 г.)«

Международных конференциях: "Дизельные двигатели '89" .Болгария, Варна, 196Эг.); "Компьютер: наука, техника, тех-юлогия, здоровье" (Украина, Харьков, ХПИ; Венгрия, Мипколь-аснй университет, 1993, 1994 г.г.); K0NES-94 (Польша, Лвс£-ин, 1994 г.).

Научно-технических конференциях преподавателей и сотру ротков ХИИТа (1981 - 1991 г.г.), ХПИ (1982 - 1992 г.г.).

Заседаниях НТС НИНТИДа (1983г.),ИЫМ АН Грузии (1984г.У, ¡НИТИ (1985г.), ПО "Коломенский завод" (1987 г.), ПО "Завод лени Малышева" (1988 г.), кафедры ДВС ХПИ (1992 г.).

I • '

Публикации. По результатам диссертационного нсаяедова-

*

ия опубликовано 2 монографии (В соавторстве; обо о 992 г.), 44 научных работы, в той числе получено б'автор-х свидетельств.

Об*ем и структура работы. Диссертация состоит из введ&~ ия, шести глав, заключения, списка использованных литера-урных источников и 4 приложений. Работа содержит 253 стр. сяовного текста, 46 таблиц.и 108 рисунков.

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД В РАЗРАБОТКУ НАУЧНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ, ШНОСИШХ НА ЗАВЕТУ

В ходе выполнения диссертационной работы автором полу-ены новые теоретические и практические результаты, которые : выносятся на защиту. ¡C ним относятся:

1. Основы теории максимального теплоиспользования в сн-гавых установках, состоящих из поршневых двигателей внутрвн-iero сгорания и систем утилизации вторичных енвргоресурсов.

2. Комплекс методик математического и физического моде-ирования, анализа и оптимизации реальных процессов в турСо-

компаундных ДВС, базирующихся на новых положениях, сочетающих 1-Я и 2-й законы термодинамики, а также учитывающие особенности реальных рабочих тел.

3. Переданные промышленности схемные решения перспективных турбокомпаундных среднеоборотных и быстроходных ДВС, рациональные конструктивные в термодинамические параметры систем утилизации этих двигателей.

4. Результаты анализа теолоиспользования в КДВС с системами утилизации теплоты, оценхи взаимного влияния рабочих процессов в цилиндре ДВС, лопаточных машинах и системе ВИТ, энергетические и »ксергетичесхив диаграммы рабочих процессов в таких силовых установках.

ХАРАКХКРИСТИКА МЕТОДОЛОГОВ, МЕТОДА ИССЛЕДОВАНИЯ ПРЕД МШ ■ ОБЪЕКТА .

Применяемая в диссертационной работе совокупность средств, методов и приемов базируется на принципах системности, которая предусматривает: комплексный подход к проблеме совершенствования теолоиспользования в ДВС; расчетно-аксперимевтальный метод научного исследования; разработку новых научных положений, возводящих в сочетании с известными, рациональным образом обеспечить решение цели и задач диссертации.

При атом новые методики математического и физического моделирования рабочих процессов турбокомпаундных ДВС с силовыми газовыми и паровыми турбинами предусматривают использование фундаментальных 1-го в 2-го законов термодинамики (внэргоэксергетичаский подход)! идентификацию математически* моделей с реальными процессами, зафиксированными -экспериментально, обеспечивают осуществление возможности научных обобщений, выработку практических рекомендаций..

- 13 -

Объектом научного исследования является семейство тур-бокомпвундных-дизелей, которые в диссертационной работе ранжированы по быстроходности ( быстроходные и среднеоборотные), назначении (автотракторные, тепловозные, судовые), глубине утилизации, вторичных энергоресурсов (ЛВС с системами ГТН, две с ГТН и CT, ДВО с ГТН, CT и системами утилизации потоков теплот ОГ, ОГ и • ОЖ, ОГ и промежуточного охлаждения наддувочного воздуха и т.д.), назначению утилизационных контуров (для получения дополнительной работы, нужд теплофикации, опреснения морской воды). -

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ, БЫТЕХАВДШ ИЗ НАУЧНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ Текст рукописи диссертационной работы содержит основные результаты диссертационного исследования. При этом во введения обоснована тема диссертационной работы, дана общая ее характеристика, сформулированы цель и задачи исследования, приведены положения, которые выносятся на защиту.

Подчеркнуто, что в основу диссертационной работы положены теоретические труды и прикладные разработки научных ркол и коллективов: ХГПУ (ХПИ), МГТУ, МАДИ, МЭИ, ЩВДИ, С-ПГТУ, С-ПНИ, С-ПВВИСУ, ХГАЯТ (ХИИТ), ПО "Завод имени Малышева", ПО "Коломенский аавод", ГСКБД. НМСГИД, КАДИ, ИПМаа HAH Украины, ИТТ HAH Украины, ИПМ HAH Украины, НКИ (г. Николаев), ЛМИ (г. Луганск), СГТУ (г. Саратов) я др. организаций Украины, а также зарубежных стран.*

Показано, что диссертационное исследование выполнено применительно к быстроходным и среднеоборотным двигателям типов 4ЧН12/14, 6ЧН13/11,5, ЮЛН20,7/2-25,4, ' 16ЧН26/Я7, l64H32/32 j 6Д30/50. Отмечено, что диссертационная. р^тз явилась результатом сотрудничества а&тора с коллектиьом ОГК-

по двзеластроеншо ПО "Завод имени Малышева", ГСКБД, учеными кафедры ДВС ХГПУ. во введении подчеркнуто также, что при выполнения научного исследования отдельные вопросы были проработаны совместно с к.т.в. Никитиным A.B., к.т.н. Крестлингом H.A., аспирантами Козельским В.Д., Ерощанковым Д.С., у которых автор являлся научным консультантом кандидатских диссертационных работ.

Первая глава посвящена анализу современного состояния проблем! утилизации сбросное теплоты дизелей.

На основании анализе данных технической литературы показано, что одно из направлений улучшения теплонспольэования связано с применением турбокомпаундных ДВС, включающих силовые газовые и паровые турбины (расширительные машины), причем, это направление имеет комплексный характер. *

Теория я практика совместной работы ДВС в лопаточных машхн в турбокомпаундных СУ исследована на основании трудов В.Н. Стечкина, Н.М. Глаголева, А.Э. Симеона, H.H. Иванченко, Ю.Г. Степанова, Н.К. Шохотова, Н.ф. Разлейцева, С.А. Ероаен-кова, В.Д. Сахаревича, А.Г. Рыбальчешсо, Д.А. Деховича, А.И. Губина, В.А. Петросянца, Я. Мацаха ('Чехия), К. Шннера (Германия), в др., анализа выполненных разработок на ПО "Завод имени Малышева", ПО "Коломенский завод", ЯМЭе, в ХГПУ, ХГАХГ, ЦНИДИ, ГСКБД, НИКГИДа, в фирмах "Вроун Бовери", ЫАН, "Зульцер", "Кашине", "Лейланд", "Мицубиси" и др.

Данный анализ позволил не только рассмотреть аспекты функционирования турбокошаувдных ДВС, но и показать, что некоторые из вопросов работы таких СУ еще крайне слабо исследованы. Это прежде всего относится к особенностям совестной работы силоаой турбины и утизационного щаиа Ямаяви, а также вевводоаания вариатора »цмш жрцвги

мощности от CT к КДВС.

Анализ трудов в области теории и практики' утилизационных контуров ДВС, высокотемпературного охлаждения Н.М. Глаголева, Ф, Л. Ливенцева, В,Г. Кривова, М.К. Овсянникова, А.Г.

I

Курзона, В.З. Маслова, Н.К. Шохотова, A.A. Шейпакв и др., работ ученых дальнего зарубежья таких как К.С. Робертсон, С.Е. Эккард, Д. Боуд, С.К. Чен,'Р. Лин, Д.Т. Морган и др., практических разработок, которые выполнены в С-ПВВИСУ, ПО "Завод имени Малышева", ХГПУ, С-ПГТУ, С-ПКИ, НИКТИДе, МАСИ И др., в фирмах Запада "Пилстик", Зульцер", "Термо-Электрон" и "Дженерал Электрик", "Катепиллер" и др. позволили сделать вывод о том, что вторичное использование теплоты является существенным резервом улучшения теплоиспользования в СУ с КДВС. Отмечено, что в настоящее время наивысший уровень теплоиспользования достигнут именно в СУ с КДВС и системами ВИТ (например, установка "Totem" фирмы "Смат" имеет" коэф. использования теплоты сгорания топлива около 92%).

Кроме того, работы А.Ф. Шеховцова, Н.И.Чайнова, Г.В.Ро-зенблита, B.C. Стефановского, Ф.И. Абрамчука, Е.И.Третьяка и др. позволили выполнить оценку температурного состояния деталей цилиндро-поршневой группы КДВС при ВТО и определить условия надежной работы.- - '

В главе показано, что анализ эффективности рабочих процессов турбокомпаундаых ДВС целесообразнее вести с позиций как первого, так и второго законов термодинамики. Это существенно обогащает информацию и позволяет более обосновано принимать технические реиения. С этой целы) рассмотрены энергетическая и анергоэксергетическчя схемы (рис.1(), с помощью которых сделана предварительная оценка резервов улучшения теплоиспользования за счет утилиз.-здонных контурсв КЯБС.

Отмечается, что рис.1.а соответствует энергетический баланс в виде

\ - 1 - Чух - яхд - - у - - чд. я:

а рис. 1.6 - анергоэхсергетиче ский

где ес - относительная эксергия потока теплоты, = Е /0 ;

1 Ч1 Ч1 *

относительные внутренние потери эксергии, с11 - Б1/йя;

анергия теплоты, а0*=(Ай л^ - доли соответст-

вующих работ, Д^« - потоки теплоты, qJ «

С учетом зависимостей И) и (2> показано, что только 2/3 от теплоты, отводимой с отработавшими газами --- (Ног-Но-^)/0, является работоспособной. Существенно меньшие резервы заключены в потоках теплоты с ОХ и маслом (чп ♦ с^ * Ч* * ^мд)' Так, если для традиционных ДВС без ВТО » Ю -

35*, то вЛ не превышает 2-3*. Менее 1* от составляет эк*

сертия теплоты« отводимой в системе смазки. Обычно на уровне

е0 находится в значение еь . Таким образом, резервы улуч-

шеям тешшеяюльзования за очет систем утилизации заключены

в «л » е- , е0 . Они составляют примерно половину от ре-

та ух тел звряов, определяемых на основании теплового баланса.

Показано» что составляющие энергетических балансов рас .л .а позволяют судить о количественных характеристиках вторичных »норгоресурсов (ВЭР) КДВС, а энергоэксергетичесхих (рис. 1.6) ' о качественных. Это предопределило вывод о.необходимое та разработки единого термодинамического подхода к анализу процессов в КДВС, который раскрыл бы взаимосвязь »нергетнчесхнх и аксергвтхческвх характеристик КДВС, позволил бы щодл&югсь кратера* сценки Эффективности тепдоислоль-аованая в КДВС на основе 1-го и 2-го рахонов термодинамики. Таким оорааом, на основании выполненного в первой главе

нализа не только рассмотрено современное состояние проблемы, ю и детализирораяы задачи научного исследования.

Во второй главе рассмотрены термодинамические основы гре вращения теплоты а работу в силовых установках с ЛВС с гчетом переменной' массы рабочего тела и необратимости процессов.

Представленные теоретические положения выполнены на основании трудов проф. Шокотова Н.К.. а также видных ученых в эбласти термодинамики А.И. Андркщенко. В.И. Крутова, М.П.Ву-<аловича, Д.П. Гохвтейна, А.А. Долинского, В.II. Бродянского, Я.Н. Новикова. Д.В. Сивухина и др., ученых дальнего зарубежья таких как Г.Д. Бэр (Германия)., Я. Шаргут, Р. Петела (Польша). Г.Л. Борман, II.С. Брандс, П.Ф. Олив, К.Л. Хоаг, З.К.Чен (США) в др.

Для процессов энергообмена в цилиндре ЛВС (рис.2) урав-оение сохранения энергии рабочего тела переменной масЬи

ОЭ - <Ш ♦ рйУ - <1Н - ?<1р, (3)

где 03 - внешний энергообмен для элементарных процессов в Цилиндре ЛВС:

оэ - оах ♦ она внф - внв - сц,. (4)

С учетом особенностей изменения энтропии процессов, которые имеет место в КДВС арй дросселирован*«, теплообмене, в лопаточных машинах были получены

аз^,« ( ) / Т ♦ <Ш !»/(«), (5)

бБ^^ад,-^)^ ♦ [ ом, ( з,- бо ) ♦ чв^ 1 ♦ _

(6)

[ «V V Зо ] - [с«в(5т-

где <35, 03 , КЗ - соответственно полное изменения энтропии, ■ »

вследствие энергооСмена и массооСмена.

- 1В -

Показано, что для любой термодинамической системы, имеющей с другими системами оомен теплотой, работой и рабочим телом в общем виде уравнение 2-го закона термодинамики п 00. *

"¿1 "Т 1 вм;(эг8о>+ е^-нвовР?- <7>

где анах плюс соответствует случаю подвода теплоты 60± и рабочего тела СЫ^, а минус - теплоотвода и истечения.

Уравнения 1-го и 2-го принципов термодинамики, труды видных ученых в облаете теплотехники, а также работы исследователей Н. Гш (Франция), А. Стодолы (Словакия), 3. Ранта (Югославия) поэ'во&ии рассмотреть эксергию и анергию в элементарных процессах в КДВС в получить для этих процессов дифференциальные уравнения. Ори этом для углубленного анализа энергетических преобразований введен новый критерий

\шх * 1 ~ V1» " V0' (8)

названный максимальным КОД.

Дифференциальное уравнение для аксергии рабочего тела в цилиндра ЛВС

ивт ♦ «V - ОБ^ - ОЕр^ + 0Ев ■+ 0ЕТ - 0Вв - 0ЪШ - 00ф (9)

или в общем вида для любой термодинамической системы неподвижного рабочего тела

+- 21°ч * -Д,®«' °о>

где 6ЕТ - изменений аксерпю неподвижного рабочего тела; 0ЬТ - аламантарная полезная работа; 0Ео , ВЕ^ - соответственно

элементарные аксаргш потоков.теплоты и вещества, причем,

- 0^(1 - Т,/Г). (И)

а 0Е3 - [ - Т,/Т) - Т0$5 - 50)вМл ]. (12)

С учетом того, что теплоту,внутреннюю энергию н энталь-

mm условно можно разделить на работоспособную (эксергив) а неработоспособную (анергии) частя, т.е. Q ■ BQ + AQ, U » Eu ♦ Au, H - E ♦ А, а такаю с учетом приведенных выше уравнение, после преобразований (U - ОА^ - ОА^ ♦ 0Аа ♦ ЗАф- ÖAT ♦ OD, ♦ ÖDB > (13)

ила в обобщенном виде

п 'а га

- 1 1 0Ао 1 I 0А3 * 1 ÖDr <U>

t«1 1 jat J»1

Уравнения (3) и (4), (9) и (10), (13) и (14) позволили разработать для комбинированных ДВС схемы энергетические, эксергетическив, энергетические, анвргоэксергвтическке. которые з диссертационной работе использованы при оценке термодинамической эффективности как отдельны^ узлов, так а всей СУ (например, схемы рис. 3).

Таким образом, во второй главе иа база 1-го а 2-го законов термодинамики обобщены процесса з системах р переменной массой, с учетом их необратимости. • '

В третьей главе рассмотрены основы максимального тепло— использования в циклах двигателей внутреннего сгорания. Показано, что анализу теоретических цвялов ДВС посаяззэш значительные раздели коллективных трудов, зышедвих под редакцией проф. Крутовэ В.Н., а таю» проф. Органа O.A. в проф. Круг-лова И.Г. Эта же тема широко представлена в монографиях в статьях видных ученых в области теплотехника в тепловых двигателей Д.А. Портнова, D.A. Магнитсхого, А.И. Андртаенхо, . Ы.П. Вукаловича, Д.П. Гохштевна, A.B. Дубинина и др., ученых из дальнего зарубежья, таких как С.К. Чвн, К.Л. Хсвг, Р. Пишингер и др.

В глзЕв последовательно рассмотрены циклы псрпйевых и

комбинированных ДВС, а затем циклы тепловых двигателей с системами утилизации теплоты, в которых может Сыть реализовано максимальное тешюиспользование.

Разрабатывал критерии сравнения теоретических циклов, автор исходил из того, что общепринятым критерием является термический КПД т}г» в ему соответствующий для действительных циклов аффективный КЦД т^» 1^/0^. Кроме того, в технической литературе в последнее время в качестве критерия все бодав широкое использование находит аксергетический КПД. который применительно к схеме рис. 1.6 можно записать как т)вх - Ь^/Е^. Показано, что часто противопоставляемые среди

двигателе строителей критерии т^ и т^ можно с учетом уравнения (в) объединить в одной зависимости:

Ъ 1 Ел Ел Ь «*

• • сз 1

и, ----- — • — - -3 • .— . Т1 • * . (15)

> л V \ Ох V

Уравнение является принципиальным. Оно поз-

воляет исследовать превращения располагаемой относительной аксерги* т;__- Е^/С^ в относительную аффективную работу

V

Уравнение (15) позволяет записать

\ * "»и». С,6>

где знах равенства относятся к циклам с максимальным тепло-использованием, под которыми понимаются циклы с внутренними

' Ап» поюпь, что дм творетичвсюсж циклов «налогто

тц » . в шмиамм ждя удовстм при шшэв и теорвп

4«осях, ■ ммтппмыих ошов приняты олкнакошв ОООЯМЙЧ0МШ КрИТврММК Т|гт|1> Ш

E D, и внешними Е Е, потерями зксергии, равными ну л». 1 J

Анализ уравнений (15) и (16) показывает, что повышение

т^ следует обеспечивать, во-первых, за счет увеличения г|тлх, т.е. совершенствования внутрицилиндровых процессов и, во-вторых, путем повышения т)вж, т.е. уменьшения внутренней и внешней необратимости.

Внешняя необратимость поршневых двигателей связана с теплоотводом при V » const (рис. 4) и определяется эксергией Е . Для никла с изохорно-изобарным подводом теплоты Q. (в = 21,1) продолженное расширение до атмосферного давления (р5 » p(Jj# реализуемое при помощи газовой турбины, позволяет уменьшить отводимую в окруяащув среду теплоту с « 1,36 до Qjp » 1,24 кДа/цикл, пра этом Е^ - 0,24 кДя/цлхл (двигатель 4412/14, р___ - 10 ИПа, Q, - 4,5 кДа/щгкл).

RS9LS I

В цикле с максимальным теплоиспользованзеа4все процессы, леаащае левее изохора 1-4, относятся к пораиэЕоку ЛВС, а правее ее - к сиегвшм с ЛВС системам. Данный цвкл коке? быть осуществлен в теоретической СУ, нмепцэа порзиевоэ да-гатель, адиабатическую газовую турбину (участок 4-6-6) я изотермический компрессор (участок 6-1). Расширение до рв < р0 и Т6 « TQ - 29? К.позволяет получать работу, пропорциональную площади 5-6-1 -5." Это максимально возмЬкиая работа системы утилизации, располоненной после газовой турбины (турбин) с расширением до р5 - р0.

Вычисления показали, что для этого цикла я принятых исходных данных pmjkx, Q1P ч, р0, TQ необходимо расширение до давления р6 - 0,023 ИПа, что позволяет достичь - ?0 -293 К и в системе утилизации получить дополнительно L ' »

BttT

Е^ - 0,24, а в силовоЯ установив Ley - BQ - 3.5» кДя/цхкл.

Тогда т^-т^-78,0%.

Представленный на рис.4 цикл с максимальным теплоис-пользованием рекомендован в качестве образцового (эталонного) для ДВС и назван нами модифицированным циклом Тринклера-СвОвтв.

В главе рассмотрены также силовые установки с изобарными газовыми турбинами, системами ГТН и исследовано влияние *т н ic^ на показатели СУ. Показано, что переход к турбине с рт * const сопровождается диссипацией анергии в выпускном коллекторе (БК), в результате которой всегда т)ву < т.е. цикл становится необратимым из-за внутренних потерь эксергии.

Анализ модифицированных циклов Отто, Дизеля, тринклера-Сабата, цикла с изотермическим подводом теплоты в диссертационном исследовании выполнен при помощи разработанного автором комплекса уравнений типа (17), которые позволяют вычислять энергетические, вксергетичесхяе и энергоэксергетичес-кие показатели рассматриваемых силовых установок как в абсолютных, так в в относительных величинах: например, для АМ(Г ати уравнения для двигателя с модифицированным циклом Тринклара-Сабатэ, изобарной газовой турбиной, систе-ГТН я ВИТ аагакжвавтея как

Лшж" 1 ~

«*"■[(* ~ 1) ♦Л(Р - 1)]

W

(17)

1-к * ,

)JXf*p*]«T« + (к-г) in*T-x £1 +ln • ]

ш» а «-1

1 € " [(X - 1) ♦ *Л(р - 1)]

При помощи разработанного комплекса уравнений исследо-

вано влияние е. Л., р, к, чск, *т (рт=сопз1;, рт=>7аг) на эффективность теоретических СУ и отдельных ее элементов. При этом сделвны выводы: а) эффективность цикла с максимальным тепло-использованием определяется качеством процессов в поршневом двигателе, затем в СТ и, наконец, на третьем месте вклад системы ВИТ,что поволило отметить: низкуо эффективность реальных процессов в ЛВС нельзя в полной мере компенсировать ни за счет силовой турбины, ни системы утилизации; б) чем выше НЩ поршневого двигателя, тем меньше доля работы СТ и ВИТ.

В главе рассмотрены также условия максимального тепло-использования в термодинамических бинарных циклах комбинированных ДВС. В этих циклах два рабочих тела: одно в поршневом ДВС, а другое - в системе утилизации. Показало, что в системе ВИТ может быть реализован, например, цикл 1-5-6-1 рис.4 с одно-; двух- и трехатомным идеальным рабочим телом. Принято, что в основном цикле - двухатомный идеальный газ. Сформулированы условия обратимого теплообмена в такой силовой установке, при этом коэффициент кратности, определяющий соотношение между количествами рабочих тел основного а дополни-•тельного циклов,

П . -¿_. . (18)

Р МаИт\ к(к0ят-,> Рассмотрение термодинамических циклов поршневых ДВС, КДВС, КДВС с системами утилизации теплоты позволило определить основные тенденции совершенствования теплоиспользования реальных рабочих процессов комбинированны* двигателей внутреннего сгорания.

Четвертая глава посвяаенэ разработке основ матемятичес -кого и Физического моде-гптроЕчкля действительных р.';Сочкх процессов комоииированных ДЬС с системами утилизеций теплоты,.

В главе описаны особенности экспериментальной оэзы диссертационного исследования, включающей научные стенды, созданные применительно к двигателям: 4ЧН12/14; 6ЧН13/П.5; 16ЧН26/27; 1ЧН32/32.

Научные стенды позволили осуществить моделирование рабочих процессов КДВС с СТ, КДВС с СТ-и ВИТ, экспериментально исследовать работу двигателя 16ЧН26/27 при его высокотемпературном охлаздении. Спроектированные и изготовленные макетные образцы силовой газовой турбины (для двигателя 4ЧН12/14) в утилизационного паросилового цикла Ренкина ( для ДВС 6ЧН13/11.5) позволили получить экспериментальные данные для идентификации математической модели рабочего процесса турбо-компаундного ДВС, а также исследовать работу таких двигателей на долевых режимах.

Математическая модель турбокомпаундаого двигателя представляет собой комплекс алгоритмов для расчета рабочего процесса ДВС, системы наддува в СТ, утилизационного цикла Рев-хине, анализа эффективности процессов теолоиспользования с позиций 1-го в 2-го законов термодинамики. Учитывая, что для алгоритма расчета рабочего процесса КДВС за основу была взята математическая модель кафедры ДВС ХГПУ, в главе основное внимание уделено описанию процессов в цикле Ренкина. При этом рассмотрены подходы к моделированию процессов в парогенераторе, конденсаторе, питательном насосе, а также в расширительных машинах (Й1): объемного типа и лопаточной.

Алгоритм расчета рабочего процесса цикла Ренкина с турбиной в качестве IV базируется на разработках азтора, которые были сделаны при выполнение кандидатской диссертации.

В главе предложен метод расчета в дифференциальной форме рабочего процесса объемной расширительной машины, в хото-ром при помощи коэффициента сжимаемости

| I « р'Т/Н-Т (19)

учтены отличия реальных свойств рабочих тел от идеальных.

Для объемной ГМ (рис.5) уравнение первого принципа термодинамики

03 = 0Н12 - бН^ - СС^ - сШ - Убр » <Ш +рб7. (20)

На основании преобразований дифференцизяывых уравнений

термодинамики, уравнений Максвелла, а тша» званскмоствй

%

(19) и (20) было получено для области перегрешга? пара

Ы(И)Р]

Од - 1--± • ¿У

МсЦ).]

си « -£-'- . (21)

['+1( §§ )Р]

Vй2

Если же рабочее тело находится в двухфазной области, то

1 г ' г ■ 1

6Т - Г Оя--г;-г- 0»|. (22)

Сг I (у _ у ) 1

При моделировании процессов в объемной РЫ взята уравнение состояния в виривльной форме (для 1^0), а также уравнение состояния Редлиха-Квонга в модификации Соаве для других рабочих тел.

I

Уравнение Редлиха-Квонга в модификация Соаве позволяет определить параметры рабочих тел при ограниченной обьеме табличных данных о их термодинамических свойствах. При этом

используется методика Лидерсена для определения критических давлений, температуры и удельного обьема, методика Эдмистера для определения фактора ацентричности и другие методики, описанные в фундаментальном труде проф. Р.Рида, проф. Дв. Праусница, проф. Т. Шервуда - ученых из Массачусетского технологического института и Калифорнийского университета.

Проверка адекватности разработанных алгоритмов показала достаточно хорошую сходимость результатов: погрешность вычислений термодинамических функций на основании вириального уравнения не превышала IX, а уравнения Редлихя-Квонга - 5%.

Разработанные математические модели позволяют определить конструктивные и термодинамические параметры основных узлов утилизационных контуров.

Сформулированные и обобщенные в четвертой главе полога-шя составляют научные основы физического и математического моделирования реальных рабочих Ьроцессов комбинированного ДВС с системами утилизации теплоты.

Ъ пятой главе на основании анализа расчетных и экспериментальных данных по силовым установкам с ДВС типа СМД ( 4ЧН12/14; 6ЧН13/11..5 ), 10Д100 ( 10ДН20.7/2 25,4 ). ДЗО (16ЧН26/27), 16ЧН32/32 рассмотрены условия эффективного применения силовых газовых турбин и утилизационных циклов Рен-кина. Показано, что за счет систем ВИТ можно снизить удельный эффективный расход топлива на номинальном режиме примерно на 15 г/(кВт.ч) и -получить экономию топлива до 20 г/(кВт.ч) в случае использования в такой СУ еще и СТ. С учетом же загрузки СУ в эксплуатации экономия топлива может составить соответственно 3 - 5 и 5 - 8 г/(кЗт.ч).

В глава представлены результаты исследования условий эффективногопр^ененглразличных схем турсокомпаунлдах ИБС.

. Получены данные о совместной работе СТ и систем ВИГ в СУ с ЛВС. Они позволили раскрыть влияние утилизационных контуров на рациональные параметры рабочего процесса ДВС, а также показать взаимную зависимость параметров СТ и ВИТ. В частности отмечено, что рациональное отношение давления ОГ в выпускном коллекторе к давлению наддувочного воздуха во впускном (pT/ps) зависит не только от параметров ЛВС и лопаточных машин, а еще и от утилизационного цикла Ренкина: в случае применения системы ВИТ и для Я „ « const значение

ву

рт/рз меньше, чем для варианта КДВС без системы ВИТ.

Исследована перспективная схема турбокомпаундного ДВС с вариатором (Bp) в силовой цепи передачи мощности от СТ к КДВС. На основании экспериментальных данных по двигателю 4ЧН12/14 показано, что применение Bp является существенным резервом повышения эффективности турбокомпаундных ДВС. Он позволяет дополнительно примерно на 2 -4 г/(кВт.ч) уменьшить среднеэксплуатационный расход топлива. Кроме того отмечено, что для КДВС с Bp расширяется область возможного применения силовых газовых турбин. Это обусловлено тем, что граничное значение КПД лопаточных машин, выше которого использование СТ становится целесообразным-, уменьшается с 72-75S (СУ без вариатора) примерно до уровня 70*.

В главе исследованы и другие схемные решения КДВС с системами утилизации вторичного энергоресурса ОГ;' Это, во-первых, дизель-генераторная СУ тепловоза (рис. 6), в системе ВИТ которой предусмотрено использование теплоты электродинамического торможения (в штатной системе эта теплота рассеивается в окружающей среде при помощи тормозных реостатов). Результаты физического моделирования показали, 4to за счет »того эффективность системы ВИТ КДВС может быт& повышена на

20-30«.

Во-вторых,исследована схема транспортной СУ рис.7 с паросиловым циклом Ренкина, избыточная мощность расширительной машины которого служит только для понижения давления ОГ за турбинами систем ГТН и СТ.т.е. для создания разрежения и.тем самым, увеличения перепада давлений, срабатываемого на СТ.

Эти и другие схемные решения защищены авторскими свидетельствами и рекомендованы промышленности.

Показано, что схемное решение рассматриваемых СУ с системами ВИТ определяется также применяемыми в цикле Ренкина рабочими телами (РТ) (исследованы Н^О, СЬЦОН, фреоны СТС13, СШС12, СДР8}, а также термодинамическим!! параметрами утилизационного паросилового контура. Основными из них являются давление р1 и температура РТ перед-РИ и давление рг в конденсаторе. При этом отмечено,что уровень рационального рг для- СУ! наземного транспорта определяется в основном температурой? окружающей среда г0: для г0 » + 50*С значение р2 * 0^1: 20*С - Р2 - 0,06 - 0,085 ИПа (рис.8), го- 0*С -

|г2 < 0;06 МПа. '

Для различных.рг определены габаритные размеры конденсатора и площади его теплообменных поверхностей Р рас.9. Как показали исследования, лучшим.соответствуют я минимальные ?к, причем, характер изопарамвгрических линий йве» Г(ргд,) и ?(рг,р1>-идентичен. г

В главе приведены новыеь данные о взаимном влиянии рабочих процессов в цилиндре ЛВС и утилизационных контурах. В частности, выполнен сравнительный анализ эффективности систем утилизации быстроходных дизелей 6ЧН5 3Л) ,5. 4ЧН12/14 и двигателей ЗИЛ 130, ВАЗ 2103. Показано, что снижение расхода топлива за счет систем ВИТ отработавших гвзоа у двигателей

. с внешним смесеобразованием при прочих равных условиях моает быть в 1,5-2 раза существеннее, чем у дизельных КДВС. Это практически подтвердило сделанный в третьей главе теоретический вывод о том, что поршневые двигатели с меньшими КПД за

I

счет систем ВИТ обычно имеют большие резервы по снижению ge-Другие результаты этого исследования получены на основании экспериментальных данных по двигателю 1ЧН32/32. Отмечено, что системы утилизации вторичного энергоресурса ОГ позволяют при Ney * const разгружать поршневой двигатель по среднему индикаторному давлению. Результаты физического моделирования, выполненные автором, показали, что при постановке на двигатель типа ЧН32/32 системы ВИТ'и СТ и условии Nejr - const для поршневого ДВС возможно снижение рвд на 0,2-0,24 ЫПа, что в диапазоне рвд - 2,0-2,4 Mia соответствует уменьшению расхода топлива на 4-6 г/(кВт.ч) только за счет внутрицилиндровых процессов.

В главе представлены впервые полученные дополняющие друг друга энергетические и энергоэксергетические показатели процессов в цилиндре ДВС и смежных с ним системах утилизации, что позволило построить энергетические и аксергетичес-хие диаграты таких СУ, показать вклад каждого из рассматриваема процессов в формирование Tiey и КПД отдельных узлов. На основании экспериментальных данных по портовому двигателю «- результатов физического моделирования систем утилизации отмечено, что критерий двигателя 1ЧН32/32 находится на уровне 70-75*. При постановке систем утилизации рост .т)ву примерно до 42* обеспечивается за счет уменьшения внешних потерь эксергии, что фиксируете* увеличением эксергетичес-кого КПД ,

При постановке систем утилизации (СТ и ВИТ) вторичного

энергсфвсурса ОГ потенциальны© резерва, определенные по разности (т}юлг - т)ву), используется не более, чем на 20Х. Дальнейшее улучшение теплоиспользования возможно в том числе и за счет повышения глубины утилизации теплоты отводимой от ДВС в окружающую среду, что может быть реализовано в ' комплексных системах ВИТ.

В тестой главе рассмотрены научные основы и прикладные аспекты совершенствования тешгоиспользования в СУ с ЛВС за счет комплексной утилизации потоков теплот ОГ (<2Г), ОЯ (С^), промежуточного охлаждения наддувочного воздуха а (в главе данные вопросы исследованы применительно к двигателю наземного транспорта 16ЧН26/27 и судовому 6Д30/50).

Являясь одним из основных двигателей судов портового и каботажного плавания, устаревшие 6Д30/5О, имеющие низкие индикаторные и эффективны» показатели, по целому ряду причш еще эксплуатируются н будут эксплуатироваться какое-то нреши

В главе доказано, что для двигателя 6Д30/50 при его работе с однокамерным опреснителем и утилизационным котло» эффект, отнесенный к' среднеэксплуатациошшм затратам на топливо, за счет тегуюфикации составляет около 111, а опреснения морской воды - £0Х. Причем, в случае применения ВТО на двигателе типа в 61130750, а также при условии работы и Ог, и только для целей опреснения, что позволяет перейти к многокамерным опреснителям, производство дасциллята может возрасти а несколько раз.

Результаты выполненного анализа, схемные решения систем утилизации двигателя 6Д30/50 (например, схема рис.Ю) были переданы к внедрению Керченскому морскому порту- и судостроительному раводу "Залив". ... *

3 главе также представлены результаты исследования путей совершенствования тешюиспользования в перспективном дизель-генераторе 16ЧН26/27 38 счет утилизации в паросиловых циклах 0г, 0в, На основании экспериментальных данных по КДВС, экспериментального исследования высокотемпературного охлаждения этого двигателя, физического моделирования на развернутом КДВС систем утилизации был сделан вывод о том, что рациональной схемой системы ВИТ в этом случае является двухконтурная, включающая контур высокого давления (КВД) л низкого (КНД). Причем, в КВД в основном^используется 0р, а в КВД - 0а или 01Д, или 0В + 0ХД. При этом условием эффективного применения 0В является ВТО, а рационально использовать лишь в СУ с высокофорсированными КДВС.

Рассмотрены различные схемы КДВС с системами утилизации 0Г, 0В, 0^: по мере их усложнения эффект от работы систем утилизации возрастал. Наибольшим он оказался для перспективной бинарной системы ВИТ, которая может быть рекомендована для судовых и стационарных КДВС. Ее особенностью является то, что в КВД рабочим телом является 1^0, а в КВД - СЯ^ОН, причем, конденсатор КВД выполняет роль испарителя и экономайзера для СНдОН. Показано, что в данном случае может ''«ЗТь получено уменьшение расхода топлива на Д® - 21 г/(кВт.ч).¿В целом же в зависимости от уровня форсирования пориневого г$бС и условий его эксплуатации за счет утилизации Ог, С^, С^в СУ наземного транспорта величина Ьв может достигать 24 г/(кВт.ч).

Отмечено, что эффективность утилизационных контуров при ВТО определяется уровнем температур ОЖ нй выходе из поршневого ДВС: чем больше гв', тем эффективности систем ВИТ

I

Ш09 •

- 32 -

Анализ экспериментальны! данных по двигатели 16ЧН26/27 с ВТО позволил уточнить характер перераспределения статей теплового баланса для различных г^', значений температур по длин» гильзы цилиндров (рис. 11), а также в характерных точках хрнихи цилиндра. Была доказана возможность работы двигателя 16ЧН26/27 с > 11О*С, что открывает большие возможности для эффективной утилизации С^.

На основании обобщения представленных в шестой главе материалов был - сделан вывод о перспективности ВТО для двигателя 16ЧН26/27, а также комплексных систем утилизации теплоты двигателей 6Д30/50 и 16ЧН26/27.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В диссертационной работе поставлена и решена научно-техническая проблема разработки термодинамических основ по-выаения топливной экономичности транспортных дизелей за счет утилизации сбросной теплоты.

В диссертационной работе:

1. На основании анализа и обобщений опыта работы ведущих двигателестроительвых $ирм показан комплексный характер задачи улучшения Теплоиспользования в силовых установках с ДВС, обоснованы перспективы ее решения как при помощи традиционных путей (совершенствования поршневых ДВС), так в нетрадиционных (применение турбокомпаундных схем)!

2. Проведено расчетно-экспериментальное исследование, научные обобщения и практические рекомендации его базируются на новых теоретических положениях и оригинальных математических моделях, которые также являются практическим результатом диссертационной работы. К ним относятся:

■2.1. Термодинамические основы процессов & ЛВС (с учетом н&обратимости). для которых: в дифференциальной и интег-

.ральной формах получены обобщенные урйвйейИя баЛаНбой эйТро^ пии, анергии и эксергии; разработана ййерго&1<е&р&й<чесКай' схема термодинамического узла й система узлов;- предложен новый критерий углубленного теоретического аналйзй \ * позволяющий получить объединенное уравнение для эксергети-ческого и эффективного Ю1Д;

2.2. Термодинамические основы Теории цйклов двигателей внутреннего сгорания с максимальным Теплоиспользованием, позволявшие: получить образцовые циклы тейповых Двигателей, а также новые, разработанные на базе положений 1-го и 2-го законов термодинамики, соотношения для их теоретического анализа;, исследовать бинарные циклы; КДВС; показать^ что дополнительная работа идеальных систем утилизации теплоты по своей величине обратно пропорциональна эффективности теоретического цикла поршневого ДВС и однозначно определяется параметрами рабочего процесса к цилиндре этого ДВС; обосновать, что максимально возможная работа теплового двигателя достигается в теоретическом цикле ВДВС, у которого, например, расширение рабочего тела происходит до давления, соответствующего температуре окружающей средаЧ0, с последующим его изотермическим сжатием до Давления р0.

2.3. Комплекс новых методик расчетно-энспериментэлыгого исследования комбинированных ДВС с силовыми газовыми турбинами -и системами вторичного использования тегглоты. Это прежде всего: методика расчета рабочего процесса СУ, состоящей из КДВС, силовой газовой турбины, систем ГТН и' вторичного использования теплоты; метод расчета рабочего' процесса в цилиндре утилизационной расширительной машины, реализованный в дифференциальной форме и позволяющий вести оптимизацию ее конструктивных и термодинамических параметров; методика ана-

лиза реальных процессов в узлах комбинированного ЛВС (в том числе и в цилиндре), основанная на положениях 1 -го и ?-го законов термодинамики; методика физического моделирования на одноцилиндровом отсеке рабочего процесса комбинированного ДВС с силовой газовой турбиной и системой ВИТ; методика экспериментального исследования макетного образца СУ с КДВС и утилизационным циклом Ренкина; методика экспериментального исследования высокотемпературного охлаждения среднеоборотного КДВС типа 16ЧН26/27.

3. На основании термодинамического анализа качества вторичных энергоресурсов КДВС показано, что наибольшую энергетическую ценность для систем утилизации теплоты современных быстроходных и среднеоборотных дизелей имеют отработавшие газы, использование которых в системах ВИТ позволяет на номинальном режиме ' получить экономию топлива до 15 г/(кВтч), а с учетом условий эксплуатации примерно 3 - 5 г/ (кВтч).

4. Применительно к двигателям 4ЧН12/14 и 16 ЧН32/32 исследована возможность совершенствования теплояспользова-ния в комбинированных ЛВС за счет применения силовых газовых турбин и утилизационных циклов Ренкина.

Выполненный анализ позволил раскрыть взаимную зависимость параметров рабочего процесса в цилиндре ДВС, силовой газовой турбине и паросиловом контуре. При этом показано, , .что:

4.1. Для КДВС с силовыми газовыми турбинами при N -сопзг рациональное отношение давлений рт/рв определяется показателями рабочего процесса поршневого ДЗС, лопаточных мааин и систем ВИТ, причем, для СУ с паросиловым контуром это отношение имеет меньшее значение, чем .для КДВС без

такого контура.

4.2. Пражеданте силовых газовых турбин и утилизационных циклов Рейгана при Bey = const позволяет разгрузить поршневой двигатель, го среднему индикаторному давлению и обеспечить для вшэзвофирслгров энных ДВС снижение удельного расхода топлива не тшгые» за счет работы дополнительных систем СТ и ВИТ, а такжэ ■ щеяаидра ДВС.

5. Впергага выполнено исследование влияния систем утилизации теплота (СТ ж ВИТ) на рабочий процесс а цилиндре поршневого двигателя с применением энергетичевхих и эхеергетиче-ских методов исследования. С единых термодинамических позиций рассмотреет процессы во всей силовой установке, состоящей из поршневого ДВС, силовой газовой турбины, систем ГТН и ВИТ. На этой основа получены энергетические и энергетические диаграмма, позволяющие показать вклад каждого из исследуемых элементов СУ в формирование КПД и оценить резервы улучшения тешписпользовакия за счет их совершенствования.

-6. ВыпшвенныЯ комплекс рвсчетно-экспериментальных исследование ВДРС 4Ж12/14, 6ЧН13/11,5, 16ЧН26/27, 16ЧН32/32, 10ДН20,7/2*25.4 позволил определить я обосновать основные конструктивное к термодинамические параметры утилизационных контуров данши двигателей. Показано, что на значения этих параметров сзтествэннов влияний- оказывают схемные реше"ния комбинированная СУ, применяемые в паросиловом цикле рабочие тела и параметры, окружающей среда. t

7. Срнвнигальшй анализ эффективности систем утилизации двигатели® с внешним и внутренним смесеобразованием по-

■ ■ •« *

казал, что щш прочих равных условиях большие резервы умень-

__тения рааввда тоштва за счет систем ВИТ имеют двигатели с

вневшм смесеобразованием.

■ - 36 - .

8. Применительно к дизель-генератору 16ЧН26/27 исследована эффективность применения комплексных систем утилизации ' теплоты отработавших газов 0Г, охлаждающей жидкости 0В и промежуточного охлаждения наддувочного воздуха 0ХД, определены условия рационального применения таких систем. При этом показано, что:

8.1. Наиболее эф!ективной схемой комплексной системы утилизации теплот 0Г, 08, 0ХЛ является двухкантурная, имеющая контур высокого и низкого давления.

8.2. Условием аффективного использования 08 в цикле Ренкина является высокотемпературное охлаждение ЛВС, а 0ХЛ - высокий уровень форсирования поршневого двигателя по среднему индикаторному давлению.

8.3. Наибольшее термодинамическое совершенство присуще бинарной системе утилизации теплоты, у которой, например, в КВД в качестве рабочего тела используется 1^0, а в КНД -СНдОН, причем, конденсатор КВД служит подогревателем и испарителем для КНД.

Приведено ряд оригинальных схем систем утилизации для дизелей наземного; транспорта. Отмечено, что в таких КДВС при утилизации 08 и Охл уменьшаются-или ликвидируются затраты мощности на обслуживание стандартных систем охлаждения, что, в свою очередь, обеспечивает повышение эффективности СУ.

9. Исследована возможность применения систем утилизации. :, теплоты ДВС на судах портового и каботажного плавания. Применительно к двигателю 6Д30/5О покэзано, что в условиях Крыма рациональная система утилизации включает теплофикационный контур и опреснительную установку. Оценка эффекта в ценах 19ЭЗ г. для топлива и опресненной воды и с учетом условий эксплуатации двигателей типа 6Д30/50 на судах Керченского-

t

. морского порте позволила отметить, что дополнительные контуры могут компенсировать до 30 * среднеэксплуатащКййМ* затрат на топливо.

10. Результаты диссертационного исследования отрйбйМы к публикациях автора,переданы промышленности в виде отчеТоб по НИР, в частности, на ПО "Завод имени Малышеве" (г. Харьков),

GKB по турбокомпрессорам при ДЗТ (г. Дергачи), Керченски»

i

судостроительный завод "Залив", в лабораторию перспективных двигателей кэфэдры ЛВС ХГПУ, НЖГОД (г. Владимир) й др.

Основное содержание диссертации опубликовано fe работах:

1. Современные дизели: повышение топливной экойОНничнос-ти и длительной прочности /Ф.И.Абрэмчук, А.П.Марченхо, Н.Ф. Разлейцев, Е.И.Третяк, А.Ф.Шеховцов, Н.К.Шокотов. Йод общ. ред. А.Ф.Шеховцова. - К. 1992. - 272 с.

2. Процессы в перспективных дизелях / А.Ф.ШеховдЬйуЬ.И. Абрамчук, В.И.Крутов, А.П.Марченко, Н.Ф.Разлейцев, ÜvÜ.Oyka-чев, Е.И.Третяк, Н.К.Юэкотов, Э.Эштер. Под общ: jtefl. i-.Ф.Юе-ховцова.- X. 1992. - 352 с.

3. Шокотов H.H., Марченко А.П. К вопросу об "й'ссЛеДоШ-нии на цифровой ЭВМ рабочего процесса комбинированного дизеля с системой вторичного использования теплоты // Двигатели внутр. сгорания. 1963. Вып. 37. с. 106 - 112.

4. Шокотов Н.К., Марченко А.П., Сорокотяга AiC. Анализ эффективности процессов комбинированного дизеля) с: системой вторичного использования теплоты методом балансов теплоты, вксергии и анергии // Д&йгатели внутр. сгорания. 1983. Вып. 37. с. 101-106.

5. Шокотов Н.К., Марченко А.П., Федосов А.П. Работа комбинированного ДВС с системой вторичного использования теплоты на долевых jslföMax поршнчвого двигателя // Двигатели

-3Ö-

внутр. сгорания. 1986. Вып. 43. с. 51 - 55.

6. Влияете к.п.д. лопаточных машин на эффективность двигателя о силовой турбиной / Севрук И.В., Сорокотяга A.C., Марченко А.П. и др. - Двигатели внутр. сгорания. 1988. Вып. 48. с. 62-65.

7. Шокотов Н.К., Марченко А.П., Козельский В.Д. Выбор рациональных параметров системы утилизации теплоты отработавших газов // Двигатели внутр. сгорания. 1988. Вып. 48. с. 120 - 124. •

8. Шокотов Н.К., Марченко А.П., Никитин A.B. Результаты расчетно-экспериментального исследования турбокомпаундно-го дизелям/Двигатели внутр. сгорания.1990. Вып.51. с. 53-59.

9. Улучшение нагрузочной характеристики двигателя 4ЧШ2/14 с силовой турбиной / Шокотов Н.К., Никитин A.B., Марченко А.П. и др. - Двигатели внутр. сгорания. 1993. Вып. 54. с. 3-9.

10. Шокотов К.К., Марченко А.П.» Тринев A.B. Система высокотемпературного охлаждения двигателя внутреннего сгорания // A.C. N 1638334, БИ 1991, М 12.

11. Силовая установка. / Н.К. Шокотсв, А.П. Марченко, А.Ф. Шеховцрв И др.- A.C. Н 1668714, БИ 1991, N 29.

12. Способ работы дизель-генераторной установку и дизель-генераторная установка /В.К. Зайрнчковский, В.Г.Кривов, A.n. Марченко я др. - A.c. К 1668621, БИ 1991, N 39.

13.- Марченко А.П., Сорокотяга A.C. Методика оптимизации рабочего процесса комбинированного дизеля // Деп. в ГНТБ Украины, N 1162-Ук89, 1989. 10 с.

14. Шокотов Н.К., Марченко А.П., Крестлкнг H.A. Пути рационального использования сбросной теплоты двигателя' 6Д30/50 морского буксира в условиях Крыма и математическая

кодель оценки их эффективности // Тез. докл. международной конф. "Компьютер: наука, техника, технология, здоровье" Харьков - Мишкольц, 1993. с. 194 - 195.

15. Марченко А.П. Особенности математического моделирования, анализа и оптимизации турбокомпаундных двигателей внутреннего сгорания// тез. докл. международной конф. "Компьютер; наука, техника, технология, здоровье" Харьков -Мишкольц, 1993. с. 165 - 167.

I

16. Шокотов Н.К., Марченко А.П., Я. Обейд. Термодинач^-.

«

ческие основы математического моделирования процессов.ву ци^ Л1шдре утилизационной паровой машины // Тез. докл. м^гщунд-родной конф. "Компьютер: наука, техника, технология* здо-f-ровье" Харьков - Мишкольц, 1994. с. 106. j

17. Schokotov U.K., Marchenko A.P., Koselckl W.D; Auswahl optimaler Parameter der Ausnutzung.der Abgaswanne von Verbrennungsmotoren // Wis3. Z. Techn. tfiilv. Magdeburg 33 (1389) Heft 5. c.

18. N.K. Schokotov, A.P. Marchenko. Ternodynamlczne

• *

podatawy oplsu procesov w oblegach oD3§tosclowych шазгуа rozpr§zaJ^cych turboparosilnlkow // Journal of KQSES, vol.1, Warsaw - Lublin, 1994, s. 529 - 533.

19. Strumlenie с1ерГа 1 egzernll w tiokowych atlntlcacb. spallpowych / H.K. Schokotov, A.P. Marchenko',*-A. Aniwrozlk, M. Ponlewskl - Joirnal of KONES, vol.1, No 'l,1'Warsaw r Lublin, 1994. S. 534 - 542.

- 40 -

Схеме комбинированных две

q»J а.

MS^-Sfflffife р?озду_-

а энврге^чеслая ехеьа; о- анэргоэксергетичзсхая

Рис. 1

' - 41'- '

Схематизация процессов энергообмена в цилиндре ДК1

а - контрольная поверхность Рис.2

Схематизация балансов по цилиндру ДЭС

{¿н*

¿Ив

Р& ... .Л V ЗЕ» ^

Схемы энергетическая /а/. энтропийная /б/, вявргоэкс« ергетяческая /в/

Рис.3

Cxeua теоретического цикпа коибинироаанного ABC

•П,И,Э- участки парогенератора пароперегреватвльный, испарительный, эконокайзернш; Э ,3а- шускной и. выпускной коллекторы расширительной каштан; К.ВК- конденсатор и о<5служивашиа его вентилятор; Цд- палиндр паровоИ расширительной машины; МДд- условный узел механизмы двигателя; Ц,- приемник теплоты > Ш-питатвльннй насос; V

а- энерготачесхая схема система ИГР;

й- схематизация процессов в цилиндре паровой расширительной машшш

ЙЮ.5

Тепловозная дизель-генераторная сияоьая установка с системой Ш'Г

а.«" 2

1-цизель-гекератэр; ¿¿-воздухоочиститель; 3,¿-турбокомпрессор; 5-пароперегреватель; 6-испаритель; 7-экономгизвр; в-нагрева-тельные элементы; ^-регулирукцие устройства; 10-насос; 11-конденсатор; 12-расшрительная машина

Рис.в . ..

Транспортный КДВС с системой БИТ

л.

ц»

И.

ь

^ Нет

ц

I)

3

,5. У

и

10 ^

1-КДЬС; г-турйокомЕрессор^ 3-силовая турбина; 4-редуктор: о-расягрательная .мазика; »-конденсатор; 7-насос; ь-ьентилятов конденсаторе!; з-ко:д:рессор ОГ; 1Смарогеиераго/ Р

.. Рис.7 •

Влияние определявших параметров цикле Ренкина но среднеэксплуатационный расход топливо ЩВС 16ЧН2б/?7 о системой ВИГ

Яг=3 МП а рае. 8

Пловадь теплообменннх поверхностей конденсатора дизеля 16ЧН26/27. о системой ВИТ в зависимости от определявших давлений утилизационного цикла ренкина

1,»<*00 ®С; ^о -20 °С Рис. 9

Схема СУ с дизелем 6Д30/50 к комбинированной системой утилизащи теплоты ОТ и ОЕ

Т2

И»

«г н« ог

нЬ . И»

»ест

и«

¡ЧЙГГ

А.

1И

Т1

.К^к I Ца

н;

н!

04

г Ч

111,112— теплообменники подогрева вода за счет тедлот С|г /111/ и Сй/П2/; 01,02- опреснительные установки, работающие в контуре 0Г/01/ и ОЖ /02/; Т1,Т2- тепло14ШШЦИонныв теплообменники

Рас. 10

Распределение температур по длина гильз:', далшщра двигателя 1БЧИ26/27 при ВТО

200 № 4Ю ВО

■ "

V

X — ___

\ V —о— • ... -

^^ * ,154

- эксперимент;

- расчет

Рис.И

. Marchenko Л.P. Thermodynamic foundations of increasing fuel efficiency of transport dieseles owing to the utlllztlon of waste heat. The dissertation for presenting doctor's degree of technical sciences on speciality 05.04.02, heat engines, Kharkov State Academy of Railway Transport, Kharkov, 1994. Methods and résulta of investigation of new energetic diagrams of turbocompaund ICE with power gas and stem turolnes for ground transrort are presented In 44 scientific papers including 2 monographs and 6 author's certificates for invention, are subolted for defence. The suggested Installations to economy up to 10 - 16 X of fuel. The results of this investigation are implemented in the technical project medium speed ICE, in the practice of research and experiment design works.

Марченко А.П. Термодинамические основы повышения топливной экономичности транспортных дизелей за счет утилизации

сбросной теплоты. |

j

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.04.02 - тепловые двигатели, Харьковсквя госуд. академия хбл.-дор. трансп., Харьков, 1994.

Ка защиту вынасвхш метода и результаты исследования ¡новых энергетических схем турбоко^раундных ДОС с силовыми тазовыми и паровыми турбинами для наземного транспорте, изложенные в 44 научных работах, в т.ч. двух монографиях и 6'авторских свидетельствах. Предлагаемые перспективные установки позволяет экономить до 10 - 16 S топлива. Результаты исследования внедрены в техническом проекте среднеоборотного ЛВС, практике НИР и ОКР.

Ключов! слова: турбокомпеундний ДйЗ, екоерПя.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации аа сожхашк ученой степени доктора тсяозчесхнх наук

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОВЫШЕНИЯ ТОПЛИВНОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ

ТРАНСПОРТНЫХ ДИЗЕЛЕЯ ал СЧЕТ УТИЛИЗАЦИИ СБРОСНОЙ ТЕПЛОТЫ

КАРЧЕ11К0 Андрей Петрович

-Отастсгагвеый за выпуск

и.т.н., пощвЛ* Сааскхо В.В. ~—————, с

Подписано к печати 1

Формат бумага 60*84 1/19. Бумага для кыожнтельяых аппаратов. Печать офсетная. Усл. печ. лист , уч.-«зд.лист 3Тира« Бесплатно

Измнкя ХГАЖТа, 310050, г Харьков г 50, пл. Фейербаха. 7. Тип. ХГАЖТа. 310030, г.Харьков - 50. пл. ФейёрСаха. 7.