авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:     | 1 ||

Разработка электрического теплоаккумулирующего нагревателя для дизельных двигателей

-- [ Страница 2 ] --

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

Рисунок 4

графики численного решения системы уравнений (5)

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

температура поступающего воздуха

T = (ТвVв + Тв.кVв.к)/Vв ;

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

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

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

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

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

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

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

Программа экспериментальных исследований включает:

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

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



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

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

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

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

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

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

Рисунок 5

Принципиальная электрическая cхема
измерения пускового тока в керамических нагревателях с ПТК

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

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

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

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

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

I1 = (U – 0,1)/5,97; (8)

I2 = (U – 0,1)/3,725; (9)

I3 = (U – 0,1)/2,65. (10)

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

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

  Распределение температурного-18

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.

  Температурная зависимость-20


Рисунок 7

Температурная зависимость теплоемкости ЭТН

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

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

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

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

–––– с промежуточным напряжением

Рисунок 8

Изменение силы тока керамических нагревателей
с ПТК во времени

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

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

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

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

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

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

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

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

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

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

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

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

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





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


Основное содержание диссертации
отражено в следующих публикациях

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК


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

Публикации в сборниках научных трудов и материалах конференций


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

Патенты на изобретение

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


Pages:     | 1 ||
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.