Разработка электрического теплоаккумулирующего нагревателя для дизельных двигателей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.02, кандидат технических наук Щегольков, Александр Викторович

• Щегольков, Александр Викторович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Щегольков, Александр Викторович

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

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка электрического теплоаккумулирующего нагревателя для дизельных двигателей»

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.