Улучшение показателей среднеоборотного дизеля путем совершенствования рабочего процесса и использования перспективного метода утилизации теплоты отработавших газов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.02, кандидат наук Панкратов, Сергей Александрович

• Панкратов, Сергей Александрович
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Панкратов, Сергей Александрович

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И

ИНДЕКСОВ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ, ПОСВЯЩЕННЫХ МОДЕЛИРОВАНИЮ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА

ДИЗЕЛЯ

1.1. Классификация математических моделей рабочего процесса

1.2. Нормирование выбросов вредных веществ с отработавшими газами дизелей

1.3. Методы снижения концентрации вредных веществ в отработавших

газах дизелей

1.4. Образование оксидов азота

1.5. Утилизация теплоты отработавших газов

1.5.1. Методы утилизации теплоты отработавших газов

1.5.2. Прямое преобразование тепловой энергии в электрическую с помощью термоэлектрического генератора

1.6. Выводы по главе 1

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА СРЕДНЕОБОРОТНОГО ДИЗЕЛЯ И

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА

2.1. Обобщенная система уравнений переноса

2.2. Моделирование турбулентности

2.2.1. Подходы к моделированию турбулентных течений

2.2.2. Модель турбулентности к-е

2.2.3. Модель турбулентности к-^-/

2.3. Пристеночные функции и модели теплообмена в пограничном слое

2.3.1. Особенности течения в пристеночном слое

2.3.2. Гибридные пристеночные функции

2.3.3. Стандартная модель теплообмена

2.4. Моделирование сгорания

2.4.1. Модель сгорания Магнуссена-Хартагера

2.4.2. Трёхзонная расширенная модель когерентного пламени

2.5. Численное интегрирование уравнений переноса

2.6. Виды расчётных сеток для моделирования рабочего процесса дизеля

2.6.1. Моделирование процессов сжатия и сгорания для сектора

цилиндра

2.6.2. Моделирование процессов сжатия и сгорания для целого

цилиндра

2.6.3. Моделирование процессов впуска, сжатия и сгорания

2.6.4. Моделирование процессов впуска, сжатия, сгорания и выпуска

2.7. Моделирование впрыскивания топлива

2.7.1. Основные уравнения динамики капель топлива

2.7.2. Математическая модель распада капель топлива

2.7.3. Математическая модель нагрева и испарения капель топлива

2.8. Выбор модели турбулентности

2.9. Выбор алгоритма коррекции давления

2.10. Выбор модели сгорания

2.11. Выводы по главе 2

ГЛАВА 3. РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИСЛЕДОВАНИЕ

РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА СРЕДНЕОБОРОТНОГО ДИЗЕЛЯ

3.1. Экспериментальное исследование рабочего процесса

среднеоборотного дизеля 1ЧН26,5/31 (ЭД500)

3.1.1. Описание экспериментальной установки дизеля 1ЧН26,5/31

(ЭД500)

3.1.2. Результаты испытаний двигателя 1ЧН26,5/31

3.2. Определение исходных данных для трехмерного моделирования

3.3. Исходные данные для моделирования впрыскивания топлива

3.3.1. Верификация математической модели распространения струи топлива

3.3.2. Расчёт характеристики впрыскивания

3.3.1. Моделирование рабочего процесса с использованием различных

настроек модели испарения капель топлива

3.4. Расчёт процесса впуска дизеля ЧН26,5/31

3.4.1. Верификация математической модели продувки впускного канала

3.4.2. Расчёт процесса впуска дизеля ЧН26,5/31 на режиме номинальной мощности

3.4.3. Расчёт процесса впуска дизеля ЧН26,5/31 на различных режимах

по нагрузочной характеристике

3.4.4. Влияние температуры воздуха на впуске на вихревое число и коэффициент наполнения среднеоборотного двигателя

3.4.5. Влияние давления на входе во впускной канал на вихревое число

и коэффициент наполнения среднеоборотного двигателя

3.4.6. Влияние частоты вращения коленчатого вала на вихревое число и коэффициент наполнения среднеоборотного двигателя

3.4.7. Влияние одновременного изменения частоты вращения коленчатого вала и давления на впуске на вихревое число и коэффициент наполнения среднеоборотного двигателя

3.5. Моделирование процессов сжатия и сгорания дизеля ЧН26,5/31

3.6. Снижение выбросов оксидов азота с отработавшими газами дизеля

3.6.1. Влияние вихревого числа на параметры дизеля

3.6.2. Выбор числа сопловых отверстий распылителя

3.6.3. Выбор размеров камеры сгорания

3.7 Выводы по главе 3

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ

ЭФФЕКТИВНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СРЕДНЕОБОРОТНОГО ДИЗЕЛЯ

4.1. Термоэлектрический генератор

4.2. Моделирование течения в проточной части горячего теплообменника

4.2.1. Математическая модель обтекания облунённой поверхности

4.2.2. Моделирование течения в горячем теплообменнике

4.3. Математическая модель теплообмена в термоэлектрическом генераторе

4.4. Моделирование работы термоэлектрического генератора

4.5. Увеличение длины ТЭГ

4.6. Влияние термоэлектрического генератора на двигатель

4.6.1. Влияние сопротивление на выпуске на мощность двигателя

4.6.2. Мощность на прокачку теплоносителя

4.7. Выводы по главе 4

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ДИССЕРТАЦИИ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И ИНДЕКСОВ

Условные обозначения

[N0] - массовая концентрация оксидов азота -

Ж - скорость м/с

Р - плотность кг/м3

к - кинетическая энергия турбулентности 22 м /с

п - частота вращения коленчатого вала -1 мин

Рг - максимальное давление в цилиндре бар

Р - давление бар

Ф - произвольная зависимая переменная -

X - теплопроводность Вт.м-

- символ Кронекера -

к - кинетическая энергия турбулентности 22 м2/с2

+ У - безразмерное расстояние от стенки -

и+ - безразмерная скорость -

а - коэффициент теплоотдачи, коэффициент термо-ЭДС Вт.м-

ав - коэффициент избытка воздуха -

Яв - число Рейнольдса -

Ыы - число Нуссельта -

Рг - число Прандтля -

Оп - вихревое число -

Пу - коэффициент наполнения -

1.Т/--1

■2.Т/--1

Индексы

1, к - текущие индексы; w - значение параметра на поверхности стенки; да - значение параметра за пограничным слоем, р1 - гладкая поверхность, т -осреднение по поверхности, тБ - осреднение по поверхности с учётом увеличения площади.

Список основных сокращений ВМТ - верхняя мёртвая точка; ДВС - двигатель внутреннего сгорания; КО - контрольный объем; КС - камера сгорания; МКО - метод контрольных объёмов; НМТ - нижняя мёртвая точка; ОГ - отработавшие газы; СОД - среднеоборотный двигатель; ТЭГ - термоэлектрический генератор; ТЭБ - термоэлектрическая батарея; УПКВ - угол поворота коленчатого вала;

CFD - Computational fluid dynamics, вычислительная гидродинамика;

ECFM-3Z - Трёхзонная расширенная модель когерентного пламени;

EGR - Exhaust gas recirculation, рециркуляция отработавших газов;

RANS - Reynolds-averaged Navier-Stokes, уравнения Навье-Стокса в форме

Рейнольдса.

Остальные обозначения и индексы пояснены в тексте диссертационной работы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Улучшение показателей среднеоборотного дизеля путем совершенствования рабочего процесса и использования перспективного метода утилизации теплоты отработавших газов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность задачи. В настоящее время основным требованием к большинству типов поршневых двигателей является повышение эффективности и снижение токсичности отработавших газов. В тоже время, эти задачи сопряжены с необходимостью всё более возрастающего форсирования двигателей.

Основным путём достижения требуемых параметров является совершенствование рабочего процесса и эффективное использование энергии отработавших газов. Следует подчеркнуть, что в последнее время практически все ведущие производители поршневых двигателей широко развернули работы по исследованию и внедрению на практике термоэлектрических генераторов (ТЭГ), основанных на эффекте Зеебека и позволяющих преобразовать тепловую энергию отработавших газов в электрическую. Здесь, прежде всего, следует отметить разработки таких автомобильных производителей, как BMW и GM. Что касается среднеоборотных двигателей, это направление только начинает развиваться и ОАО «Коломенский завод» стал одним из первых, где вопросу создания и внедрения ТЭГ в состав комбинированного двигателя уделяется должное внимание. Необходимо заметить, бурное развитие современных технологий, в частности нанотехнологий, играет важную роль в усовершенствовании термоэлектрических батарей. Тот факт, что условия работы ТЭГ непосредственно зависят от протекания рабочего процесса, делает необходимым исследование возможности повышения эффективности работы ТЭГ при сохранении приемлемых экологических и эффективных показателей двигателя. Очевидно, что решение этой актуальной задачи лучше всего осуществить на основе современных методов трёхмерного математического моделирования сложных процессов течения, смесеобразования, сгорания и теплообмена, имеющих место в цилиндре двигателя и проточной части ТЭГ и характеризующихся высоким уровнем турбулентности.

В связи с этим целью работы является повышение эффективности и снижения токсичности комбинированной силовой установки путем усовершенствования рабочего процесса и использования перспективного метода утилизации энергии отработавших газов путем применения термоэлектрического генератора.

Научная новизна работы заключается в том, что:

- Разработана, верифицирована и реализована обобщенная ЭБ-модель теплофизических процессов, протекающих как в камере сгорания, так и в термоэлектрическом генераторе, позволяющая прогнозировать эффективные и экологические характеристики дизеля и оценить эффективность использования энергии выпускных газов.

- Исследована возможность применения ТЭГ в составе комбинированной силовой установки со среднеоборотным дизелем с целью повышения ее эффективности.

- Разработаны и реализованы алгоритм и программа расчета локального теплообмена в термоэлектрическом генераторе.

Достоверность и обоснованность научных результатов определяются:

- использованием фундаментальных законов и уравнений теплофизики, газодинамики и физической химии с соответствующими граничными условиями, современных численных методов реализации математических моделей;

- применением достоверных экспериментальных данных полученных в Научно-образовательном центре «Поршневое двигателестроение и специальная техника» МГТУ им. Н.Э. Баумана, а также в ОАО «Коломенский завод», Санкт-Петербургском политехническом университете Петра Великого, Rostock University, King's College London, Ford Motor Company Limited и Имперском колледже Лондона.

Практическая значимость состоит в том, что:

- Разработанные модели, алгоритмы и расчетно-экспериментальные методы расчета в совокупности представляют собой инструмент, позволяющие

улучшить показатели среднеоборотного дизеля путём совершенствования рабочего процесса и утилизации теплоты отработавших газов в термоэлектрическом генераторе.

- Определены значения конструктивных и регулировочных параметров среднеоборотного дизеля ЧН26,5/31(Д500), обеспечивающих улучшение его эффективных и экологических показателей, а также приемлемые условия для функционирования ТЭГ.

- Проведена расчётная оценка вихревого числа двигателя ЧН26,5/31(Д500) на различных режимах его работы по нагрузочной характеристике. Получена его зависимость от давления наддува, температуры наддувочного воздуха и частоты вращения коленчатого вала.

- Определена форма тепловоспринимающей поверхности ТЭГ, позволяющая интенсифицировать теплоотдачу от отработавших газов.

Апробация работы. Основные положения диссертации представлялись

на следующих мероприятиях:

- XIX Школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (Орехово-Зуево, 2013);

- конференция «Экологически чистый транспорт «Зеленый автомобиль» (Москва, 2014);

- 7-е Луканинские чтения. Решение энерго-экологических проблем в автотранспортном комплексе (Москва, 2015);

- XX Школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (Звенигород, 2015);

- Всероссийская конференция «XXXII Сибирский теплофизический семинар», посвящённая 80-летию со дня рождения академика В.Е. Накорякова (Новосибирск, 2015);

- 14th European Conference on Thermoelectrics (Лиссабон, 2016);

- международная научно-техническая конференция «Двигатель-2017», посвященной 110-летию специальности «Поршневые двигатели» в МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2017);

- XXI Школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (Санкт-Петербург, 2017).

Публикации. По результатам диссертации опубликованы 18 статей в периодических и отдельных научных изданиях: [23], [24], [29], [30], [76], [77], [78], [79], [80], [81], [82], [83], [84], [126], [127], [128], [148], [149] общим объёмом 2.8 п.л., из них 6 - в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ: [24], [30], [78], [79], [81], [84] и 2 - в базу Scopus: [78], [83].

Автор защищает:

- Разработанные, верифицированные и реализованные модели физических процессов, протекающих в цилиндре дизеля и в ТЭГ, позволяющие прогнозировать эффективные и экологические характеристики дизеля, указать пути их улучшения, а также оценить эффективность использования энергии выпускных газов;

- Результаты исследования вихревого числа дизеля ЧН26,5/31(Д500) на различных нагрузочных режимах работы дизеля в зависимости от давления и температуры наддувочного воздуха, частоты вращения коленчатого вала;

- Результаты исследования влияния выбранных моделей турбулентности и сгорания на эффективные и экологические показатели дизеля;

- Результаты исследования влияния конструктивных и регулировочных параметров дизеля среднеоборотного дизеля на его эффективные и экологические показатели;

- Программу и результаты расчета теплообмена в проточной части ТЭГ и определения рациональной формы его тепловоспринимающей поверхности.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения (основных выводов) и приложений. Она

содержит 181 страницу машинописного текста, 97 рисунков и 34 таблицы.

Список литературы включает 154 источника, из них 85 на иностранных языках.

***

Автор выражает благодарность научному руководителю д.т.н., профессору Дмитрию Олеговичу Онищенко за плодотворное сотрудничество, постоянное внимание и поддержку при выполнении диссертационной работы.

За помощь и консультации в работе над диссертацией автор признателен д.т.н., проф. Кавтарадзе Р.З., д.т.н., проф. Грехову Л.В., к.т.н. Голосову А.С., к.т.н. Рыжову В.А., к.т.н., доц. Зеленцову А.А., к.т.н., доц. Барченко Ф.Б., к.т.н., доц. Зенкину В.А., к.т.н. Скрипнику А.А., к.т.н. Осипкову А.С., к.т.н. Пошехонову Р. А., ОАО «Коломенский завод» за предоставление результатов экспериментов.

Автор благодарен также всем сотрудникам кафедры Э2 МГТУ им. Баумана за поддержку во время его обучения в качестве студента и аспиранта.

Работа выполнена в рамках проекта КРМЕЕ157714Х0113 Министерства образования и науки РФ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ, ПОСВЯЩЕННЫХ МОДЕЛИРОВАНИЮ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА

ДИЗЕЛЯ

1.1. Классификация математических моделей рабочего процесса

Существуют различные уровни математических моделей рабочего процесса:

1. Традиционный термодинамический метод Гринивецкого-Мазинга, основанный на простейших алгебраических уравнениях. В настоящее время используются в основном в методических целях.

2. Современные термодинамические (нульмерные) методы, основанные на обыкновенных дифференциальных уравнениях. Камера сгорания рассматривается как состоящая из одной/ двух или большего числа ячеек:

- однозонные. Камера сгорания рассматривается как открытая термодинамическая система, термодинамические параметры рабочего тела принимаются равными по объёму камеры сгорания. Для моделирования используются законы сохранения массы и энергии, а также уравнение состояния. Теплообмен задаётся помощью известных а-формул [1], например, по формуле Вошни. Тепловыделение задаётся простыми моделями сгорания, например Вибе [2], Вошни [3] или Ватсона (Watson) [4] без учёта особенностей режимных параметров и особенностей топливоподающей аппаратуры. Пример реализации однозонной модели: программа NKIU, разработанная в МГТУ им. Н.Э. Баумана [5].

- двухзонные. Камера сгорания рассматривается разделённой на две зоны: зону свежего заряда и продуктов сгорания. Закон сохранения массы и энергии и уравнение состояния рассматриваются для каждой зоны отдельно. Теплообмен и тепловыделение задаётся также как для однозонных моделей [6].

- многозонные [5]. Камера сгорания разбивается на большое количество зон. Закон сохранения массы и энергии и уравнение состояния рассматриваются для каждой зоны отдельно. Распределение топлива по отдельным зонам определяется с учетом динамики топливной струй и вихревого движения воздуха. В каждой зоне моделируются процессы испарения и сгорания топлива, а также тепловыделения. Учитываются кондуктивный, конвективный и радиационный теплообмен между отдельными зонами и участками поверхности камеры сгорания, а также массообмен между отдельными зонами. Пример реализации: программа М7М, разработанная в МГТУ им. Н.Э. Баумана [5].

Заметим, что нульмерные термодинамические модели, в которых используются двух или трехмерные модели струй топлива, называют также феноменологическими. При этом используются различные модели струй топлива, например модели Хироясу (Ниоуави) [7] или А. А. Скрипника [6].

Нульмерные модели отличаются высокой скоростью счёта, что особенно важно при оптимизации индикаторных параметров двигателей. Основная область применения нульмерных моделей: моделирование скоростных и нагрузочных характеристик ДВС, определение индикаторных и эффективных параметров, оптимизация некоторых конструктивных и режимных параметров двигателей; при этом определение параметров токсичности носит скорее качественный, а не количественный характер.

3. Трёхмерные. Основаны на методах вычислительной гидродинамики (СББ). Наиболее точная, но ресурсоёмкая модель. Решается система уравнений количества движения (Навье-Стокса), энергии (Фурье-Кирхгофа), диффузии (Фика) и сохранения массы (неразрывности), как правило, в форме Рейнольдса. Трёхмерные модели позволяют получить пространственное распределение параметров рабочего тела, что увеличивает точность моделирования параметров токсичности и теплообмена.

Для решения обобщённой системы уравнений используются следующие методы [8]: Метод контрольных объёмов (МКО), Метод конечных разностей

(МКР), Метод конечных элементов (МКЭ), Метод Крупных Частиц (МКЧ), Метод Распада Произвольного Разрыва (МРПР), Метод Характеристик (МХ).

Наибольшее распространение получил МКО, предложенный Патанкаром и Сполдингом [9], основанный на записи уравнений в интегральной форме для каждого контрольного объёма. Из интегральных уравнений получаются дискретные аналоги, составляющие систему линейный алгебраический уравнений, решаемую итерационным путём. На методе контрольных объёмов основано большое количество программных комплексов, в том числе созданных специально для расчёта ДВС: FIRE (AVL LIST GmbH) [10], VECTIS (Ricardo) [11], KIVA (Лос-Аламосская национальная лаборатория) [12].

В настоящее время CFD получает всё большее распространение для расчёта внутрицилиндровых процессов (в том числе, сгорания и образования вредных веществ) [13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25] и газообмена [13, 8, 26, 27, 28] в ДВС. Кроме того результаты трёхмерного моделирования можно использовать для расчёта теплового состояния деталей камеры сгорания [20, 29, 30].

1.2. Нормирование выбросов вредных веществ с отработавшими газами

дизелей

Нормируются выбросы оксидов азота (NOx), углеводородов (CH), оксидов серы (SOx), аммиака (NH3), угарного газа (CO) и твёрдых частиц (PM). В последнее время также много внимания уделяется углекислому газу (CO2) в связи с глобальным потеплением и соглашениями о климате, подписанными в том числе Россией: Киотском протоколе и Парижском соглашении 2015 года. Для снижения выбросов CO2 может применяться новые виды топлива, либо увеличение КПД.

Россия. Токсичность отработавших газов среднеоборотных дизелей в Российской Федерации регулируется ГОСТ Р 51249-99 [31]. Требования к выбросам вредных веществ приведены на Рис. 1.1. Нормы на выбросы оксидов

азота для судовых двигателей зависят от п: при п < 130 мин-1: 17 г-кВт-1-ч-1; при 130 < п < 2000мин-1: 45-п-02 г-кВт-1-ч-1; при п > 2000 мин-1: 9.8 г-кВт-1-ч-1.

no2 СО СН

Рис. 1.1. Нормы токсичности для среднеоборотных двигателей (Россия)

Нормы для тепловозных дизелей. Современные нормы токсичности для тепловозных двигателей действующие в США [32] и Европе [33] приведены на Рис. 1.2. В США также действуют нормы по дымности отработавших газов. Испытательные циклы приведены в ISO 8178(ГОСТ ISO 8178-4-2013 [34]).

НС СО КОх РМ НС+МОх

Рис. 1.2. Нормы токсичности для тепловозных двигателей (США)

Международные стандарты для судовых дизелей. Международные стандарты для судовых дизелей введены Международной морской организацией (International Maritime Organization, IMO) [35]. Действуют в зонах контролируемых выбросов (Emission Control Area, ECA) [33]:

• Балтийское море (SOx);

• Северное море (SOx);

• North American ECA, включая большую часть побережья США и Канады (NOx и SOx);

• US Caribbean ECA, включая Пуэрто-Рико и Виргинские острова (NOx и SOx).

Ограничения на выбросы NOx согласно MARPOL Annex VI приведены на Рис. 1.3 [33].

Рис. 1.3. Стандарт MARPOL Annex VI NOx (IMO Tier)

MARPOL Annex VI также регулирует содержание серы в топливе (SOx ECA 0.1% с 2015, остальные воды: 3.5% с 2012, 0.5% - с 2020).

Циклы испытаний по ISO 8178(ГОСТ ISO 8178-4-2013[34]). Нормы США для судовых дизелей. Судовые двигатели в США делятся на 3 категории по рабочему объёму цилиндра (Таблица 1).

Таблица 1.

Категории судовых двигателей в США

Категория Рабочий объём цилиндра (Уц) Базовые двигатели

Tier 1-2 Tier 3-4

1 Уц < 5 л (Ne> 37 кВт) Уц < 7 л Внедорожные

2 5 л < Уц < 30 л 7 л < Уц < 30 л Тепловозные

3 Уц > 30 л Морские

Для двигателей, мощность которых не представлена в стандартах Tier 3

или Tier 4, продолжают действовать Tier 2 или Tier 3, соответственно.

Стандарты Tier 3 и Tier 4 для дизелей морских судовых дизелей категорий 1 и 2 представлены в Таблицах 2 и 3.

Таблица 2.

Стандарт Tier 3 для дизелей морских судовых дизелей категорий 1 и 2

Мощность (Ne) Рабочий объём цилиндра (Уц) NOx+HCf PM Дата

кВт л/цилиндр г/кВт-ч г/кВт- ч

Ne < 3700 7 < Уц < 15 6.2 0.14 2013

15 < Уц < 20 7.0 0.27a 2014

20 < Уц < 25 9.8 0.27 2014

25 < Уц < 30 11.0 0.27 2014

Опционно: Tier 3 PM/NOx+HC at 0.14/7.8 g/kWh в 2012, и Tier 4 в 2015. f Стандарт Tier 3 NOx+HC не применяется для двигателей мощностью 20003700 кВт. a - 0.34 g/kWh для двигателей мощностью меньше 3300 кВт.

Таблица 3.

Стандарт Tier 4 для морских судовых дизелей категорий 1 и 2

Мощность (Ne) NOx HC PM Дата

кВт г/кВт- ч г/кВт- ч г/кВт-ч

Ne >3700 1.8 0.19 0.12a 2014

1.8 0.19 0.06 2016

2000 < Ne < 3700 1.8 0.19 0.04 2014

1400 < Ne < 2000 1.8 0.19 0.04 2016

600 < Ne < 1400 1.8 0.19 0.04 2017

a - 0.25 г/кВт- ч для двигателей рабочим объёмом 15-30 л/цилиндр. Кроме того, действуют стандарты на CO для двигателей категорий 1 и 2, для которых действует стандарты Tier 3 и Tier 4 (Таблица 4).

Таблица 4.

Стандарты на CO для двигателей категорий 1 и 2

Мощность (Ne) CO

кВт г/кВт- ч

Ne < 8 8.0

8 < Ne < 19 кВт, 6.6

19 < Ne < 37 5.5

Ne > 37 5.0

Испытательные циклы для судовых и тепловозных дизелей регулируются ISO 8178(ГОСТ ISO 8178-4-2013[34]).

Нормы для внедорожных дизелей. США. Кроме судовых, тепловозных, двигателей для подземного горнодобывающего оборудования (регулируется MSHA) и Hobby engines (для рабочего объёма ниже 50 см ).

Стандарт Tier 4 для двигателей мощностью более 560 кВт, г/кВт- ч приведён на Рис. 1.4.

■ 2011 (Бег 4 А) Двигатели генераторов > 900 кВт

■ 2012 (Бег 4 А) Остальные двигатели > 900 кВт

2015 (Бег 4 В) Двигатели генераторов | 2016 (Бег 4 В) Остальные двигатели

41 ■

Irl I

СО NMHC NOx РМ

Рис. 1.4. Стандарт Tier 4 для двигателей более 560 кВт, г/кВт- ч

Для дымности сохраняются стандарты Tier 2-3. Освобождаются от норм дымности двигатели сертифицированы на нормы PM не выше 0,07 г/кВтч (поскольку эти двигатели изначально характеризуются низкой дымностью).

Применяются станционарные циклы по ISO 8178 (ГОСТ ISO 8178-4-2013[34]).

Стандарты для судовых дизелей. Европа. Стандарт Stage III A для судовых дизелей, предназначенных для внутренних вод, приведены в Таблице 5. Для этих двигателей не существует стандартов Stage III B и Stage IV [33]. Планируемый к введению начиная с 2019 года стандарт Stage V (для маршевых двигателей мощностью от 37 кВт и вспомогательных от 560 кВт) приведён в Таблице 6.

Испытательные циклы приведены в ISO 8178 (ГОСТ ISO 8178-4-2013[34]).

Таблица 5.

Стандарт Stage III A для судовых дизелей, предназначенных для внутренних

вод.

Категория Рабочий объём цилиндра (V;) Дата CO HC+NOx PM

л г/кВт- ч

V1: 1 V4 < 0.9, Ne > 37 кВт 5.0 7.5 0.40

V1:2 0.9 < V4 < 1.2 2007 5.0 7.2 0.30

V1:3 1.2 < V4 < 2.5 5.0 7.2 0.20

V1:4 2.5 < V:; < 5 5.0 7.2 0.20

V2:1 5 < V; < 15 5.0 7.8 0.27

V2:2 15 < V4 < 20, Ne < 3300 кВт 2009 5.0 8.7 0.50

V2:3 15 < V4 < 20, Ne > 3300 кВт 5.0 9.8 0.50

V2:4 20 < V4 < 25 5.0 9.8 0.50

V2:5 25 < V4 < 30 5.0 11.0 0.50

Таблица 6.

Планируемый к введению стандарт Stage V для судовых дизелей, предназначенных для внутренних вод.

Категория Мощность Дата CO HCa NOx PM PN

кВт г/ кВт-ч 1/ кВт-ч

Маршевые двигатели — категория IWP

IWP-v/c-1 37 < Ne < 75 2019 5.00 4.70b 0.30b -

IWP-v/c-2 75 < Ne < 130 2019 5.00 5.40b 0.14 -

IWP-v/c-3 130 < Ne < 300 2019 3.50 1.00 2.10 0.11 -

IWP-v/c-4 300 < Ne < 1000 2020 3.50 0.19 1.20 0.02 1x1012

IWP-v/c-5 Ne >1000 2021 3.50 0.19 0.40 0.01 1x1012

Таблица 6 (продолжение). Планируемый к введению стандарт Stage V для судовых дизелей, предназначенных для внутренних вод.

Вспомогательные двигатели — категория IWA

IWA-v/c-1 560 < P < 1000 2020 3.50 0.19 1.20 0.02 1x1012

IWA-v/c-2 P > 1000 2021 3.50 0.19 0.40 0.01 1x1012

a A = 6.00 для газовых двигателей. HC + NOx

1.3. Методы снижения концентрации вредных веществ в отработавших

газах дизелей

Оптимизация конструктивных и режимных параметров.

Оптимизация конструктивных и режимных параметров: степени сжатия, угла опережения впрыскивания топлива, фаз газораспределения, формы камеры сгорания, вихревого числа, характеристики впрыскивания и других [36]. При этом, как правило, возникает конфликт целей: снижение оксидов азота приводит увеличению расхода топлива и выбросов сажи и наоборот. Только лишь оптимизацией конструктивных и режимных параметров нельзя достигнуть современных высоких норм токсичности. Также стоит отметить, что оптимизация большинства конструктивных параметров не требует установки дополнительных агрегатов на двигатель (таких как системы постобработки, охладители отработавших газов и другие), но требует большого количества работы по расчётной и экспериментальной оптимизации; кроме того, может приводить к большим затратам при выполнении в процессе модернизации двигателя.

Перспективные рабочие процессы. Один из наиболее перспективных: Homogeneous charge compression ignition (HCCI). Представляет собой воспламенение от сжатия гомогенной смеси. За счёт большого количества очагов воспламенения и равномерного распределения коэффициента избытка

воздуха по объёму цилиндра сгорание протекает одновременно во всем объеме цилиндра по кинетическому механизму, без диффузионной стадии [25]. При этом существенно понижаются локальные температуры по сравнению с дизелем и двигателем с воспламенением от электрической искры и, соответственно, снижается концентрация оксидов азота. За счёт сгорания гомогенной смеси практически отсутствуют сажевые частицы.

Применение нетрадиционных топлив:

Нетрадиционные топлива делятся на 3 вида:

1. Смесевые топлива (нефтяные топлива с добавками спиртов, эфиров и другие);

2. Синтетические топлива (топлива, получаемые переработкой каменного угля, природного газа, попутного нефтяного газа и другие);

3. Ненефтяные топлива (природный и био- газ [36, 38], метанол, этанол, диметиловый эфир, водород [39]).

Позволяют снизить токсичность отработавших газов двигателей и выбросы парниковых газов (CO2) а также использовать местных ресурсов (более дешёвых, либо с целью энергетической независимости).

Снижение частоты вращения коленчатого вала и рабочего объёма дизеля. Снижение частоты вращения (downspeeding) позволяет повысить механический КПД и увеличить время на смесеобразование и сгорание. По данным компании FEV GmbH снижение частоты вращения на 10%, позволяет снизить удельный эффективный расход топлива на 2..3%, а выбросы твёрдых частиц на 23% при тех же мощности и [NOx] и на 5.1% и 37% соответственно при тех же среднем эффективном давлении и [NOx] [40].

Системы постобработки. Для среднеоборотных дизелей применяются SCR (Восстановительный каталитический нейтрализатор), DPF (фильтр твёрдых частиц), DOC (дизельный окислительный катализатор), скрубберы SOx [36, 41, 42].

Практически не влияют на рабочий процесс двигателя (кроме противодавления на выпуске). Однако требуют больших финансовых затрат как

на установку самих систем, так и на восстановительный агент (для SCR), особенно для среднеоборотных двигателей.

Повышение давления впрыскивания. Повышение давления впрыскивания (до 220 МПа в СОД) позволяет добиться более мелкого распыла топлива, что снижает выбросы сажи и улучшает экономичность (до определённого предела, т.к. большее давление впрыскивания требует большей мощности ТНВД). Для получения положительного результата от повышения давления впрыскивания требуется согласование параметров топливоподачи с рабочим процессом дизеля.

Снижение локальных температур рабочего тела. Так как оксиды азота образуются при больших температурах и бедной смеси и практически не распадаются во время рабочего процесса, практически все мероприятия по их снижению направлены на снижения локальных или средних температур. При этом снижение температуры приводит к уменьшению выгорания сажи и снижению экономичности; кроме того, сохранение мощности требует высокого наддува (до степени повышения давления равной 12 в двухступенчатой системе наддува [43]). К способам снижения локальных температур рабочего тела относятся: охлаждение наддувочного воздуха, цикл Миллера (Угол закрытия впускного клапана до 50 градусов УПКВ [44]), рециркуляция отработавших газов (в настоящее время доля EGR может доходить до 20% [45]), воздух, обогащенный азотом [46, 47, 48].

1.4. Образование оксидов азота

Оксиды азота (NOx) являются самыми токсичными компонентами отработавших газов двигателя [36].

Выделяют три механизма образования оксидов азота в процессе сгорания [6, 10]:

- термический, представляющий собой образование оксидов азота в зонах сгоревшего топлива при температурах выше 1800 К;

- быстрый, происходящий во фронте пламени, впервые описан Фенимором (Feminore) [49];

- топливный, представляющий собой образование оксидов азота из азота содержащегося в топливе. Для поршневых двигателей не играют роли, потому что азот практически не содержится в топливе для них. Имеет место, например, в случае сгорания «очищенного» угля, содержащего 1 % азота.

Для поршневых двигателей практически все оксиды азота (около 95%) образуются в результате термического механизма [10, 6]. При этом образуется монооксид NO (95..98%), который в атмосфере доокисляется до диоксида NO2.

Для его описания используется расширенный механизм Зельдовича [6,

10]:

O+ N2^NO+N;

N+O2^NO+O; (1.1)

N+OH^NO+H.

Первые две реакции были предложены Зельдовичем [50], последняя реакция Баулхом (Baulch) и др. [51].

На его основе в программном комплексе FIRE доступны следующие модели образования оксидов азота [10]:

- расширенный механизм Зельдовича

- Расширенный механизм Зельдовича + уравнения равновесия

- Расширенный механизм Зельдовича + быстрые NO + топливные NO

- Расширенная модель Зельдовича с константами скорости реакции Хейвуда (Heywood).

- Расширенная модель Зельдовича с константами скорости реакции Хейвуда и учётом излучения. В модели используются данные, полученные фирмой AVL.

- Расширенная модель Зельдовича с константами скорости реакции Хейвуда и учётом флуктуаций температуры. В модели используются данные, полученные в Институте химической физики им. Семенова

профессором Фроловым С.М. для значения температурных флуктуаций 7.5%.

Кинетическое уравнение концентрации N0:

^ = Кг)1[ы2][0] - КГ1[Ы0][Щ + Ку2[02][Щ - КГ2[Ы0][0] +

(I.2)

К1)з[Ы][0Н]-КГз[Ы0][Н].

Для решения этих уравнений требуется знать концентрации 0, Н, ОН, N и 02, которые вычисляются с помощью модели сгорания.

Константы К в (1.2) определяются с помощью уравнения Аррениуса и данных из литературы [6].

1.5. Утилизация теплоты отработавших газов

1.5.1. Методы утилизации теплоты отработавших газов

В среднеоборотном дизеле около 25-30% процентов энергии топлива уходят с отработавшими газами (45-48% - полезная работа, 13-17% - нагрев воды высокотемпературного контура, 5-7% - нагрев воды низкотемпературного контура, 2% - излучение) [52]. При этом увеличение мощности требует всё большего увеличения температуры цикла, что приводит к росту токсичности отработавших газов. Рост температуры ОГ а также всё возрастающие требования к увеличению КПД (из-за выбросов С02 и роста цен на топливо) создаёт предпосылки для утилизациии теплоты отработавших газов. Основные способы использования энергии отработавших газов среднеоборотного двигателя приведены на Рис. 1.5.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Панкратов, Сергей Александрович, 2017 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кавтарадзе Р.З. Локальный теплообмен в поршневых двигателях: Учеб. пособ. для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016. 515 с.

2. Вибе И.И. Новое о рабочем цикле двигателей. М.: Машгиз, 1962. 272 с.

3. Woschni G., Anisits F. Experimental Investigation and Mathematical presentation of Rate of Heat Release in Diesel Engines Dependent upon Engine Operating Conditions // SAE Tech. Pap. Ser. №740086. 1974. P. 1-18.

4. Watson N., Pilley A., Marzouk M. A Combustion Correlation for Diesel Engine Simulation // SAE Tech. Pap. 800029, 1980.

5. Иващенко Н.А., Кавтарадзе Р.З. Многозонные модели рабочего процесса двигателей внутреннего сгорания. Учебное пособие. М.: МГТУ, 1997. 58 с.

6. Кавтарадзе Р.З. Теория поршневых двигателей. Специальные главы. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2016. 592 с.

7. Hiroyasu H., Kadota T., Arai M. Development and Use of a Spray Combustion Modeling to Predict Diesel Engine Efficiency and Pollutant Emissions // Bull. JSME. Vol. 26. No. 214. Paper 214-12. 1983. P. 576-583.

8. Зенкин В. А. Исследование газодинамических процессов в дизелях для улучшения их характеристик: Дис. ... канд. тех. наук. М. МГТУ, 2009. 144 с.

9. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. М.: Энергоатомиздат, 1984. 152 с.

10.FIRE. Users Manual. Version 2013.2. AVL List GmbH Graz, Austria, 2013. (License Agreement for Use of the Simulation Software AVL FIRE between Moscow State Technical Univ. n.a. N.E. Bauman and AVL List GmbH, 2016).

11.VECTIS. URL: https://www.software.ricardo.com/Products/VECTIS (дата обращения: 27.04.2017).

12.KIVA. URL: http://www.lanl.gov/projects/feynman-center/deploying-innovation/intellectual-property/software-tools/kiva/index.php (дата обращения: 27.09.2016).

13.Кавтарадзе Р.З., Зеленцов А.А. Влияние формы впускных каналов на эффективные и экологические показатели среднеоборотного дизеля // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2015. № 6. C. 59 -73.

14.Врублевский А.Н., Андрусишин И.Ю.. Определение стратегий впрыскивания для дизеля с использованием AVL ESE DIESEL // Автомобильный транспорт, вып. 31, 2012. с. 50-56.

15.Renganathan M., Rajagopal T., Senthil K. Numerical Analysis of Direct Injection Diesel Engine Combustion using Extended Coherent Flame 3-Zone Model// Research Journal of Recent Sciences. Vol. 1(8), 1-9, August (2012). pp.1-9.

16.Wu J., Wang H., Zhu L. Combusition Simulation For Diesel Engine with HighPress Common Rail System. Proceedings of the 2013 International Conference on Advanced Mechatronic Systems, Luoyang, China, September 25-27, 2013, P. 417-421.

17.Tutak W., Jamrozik A., Gruca M. CFD modeling of thermal cycle of supercharged compression ignition engine // Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 19, No. 1 2012. pp. 465-472.

18.Cupial K., Tutak W., Jamrozik A., Kociszewski A. The accuracy of modelling of the thermal cycle of a compresion ignition engine // COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144) pp. 37-48.

19.Frobenius M., Thiele I., Schlemmer-Kelling U. Numerical and experimental investigation of the gas flow, mixture formation and combustion to optimize soot emissions in medium speed marine common rail diesel engines // CIMAC Congress 2007, Paper No. 147. 12 p.

20. Зеленцов А. А. Исследование локального теплообмена в камере сгорания дизеля, конвертированного на природный газ: Дис. ... канд. тех. наук. М. 2010. 167 c.

21.Скрипник А.А. Влияние интенсивности вихревого движения заряда на локальные параметры рабочего процесса в двигателях с непосредственным впрыскиванием топлива: Дис. ... канд. тех. наук. М. МГТУ. 2004. 175 c.

22.Шибанов А.В. Влияние конструктивных и регулировочных факторов на образование вредных веществ в быстроходном дизеле, конвертированного на природный газ: Дис. ... канд. тех. наук. М. 2007. 145 с.

23.Онищенко Д.О., Панкратов С.А. Оптимизация формы камеры сгорания перспективного среднеоборотного дизеля // Всероссийская конференция «XXXII Сибирский теплофизический семинар», посвящённая 80-летию со дня рождения академика В.Е. Накорякова. Материалы. Новосибирск. 2015. С. 178.

24.Онищенко Д.О., Панкратов С.А., Рыжов В.А. Трёхмерное моделирование рабочего процесса дизеля и его применение для оптимизации формы камеры сгорания среднеоборотного дизеля // Тепловые процессы в технике. 2016. Т. 8. № 6. С. 264-271.

25. Сергеев С. С. Снижение концентрации оксидов азота и сажи в отработавших газах дизеля путем усовершенствования рабочего процесса: Дис. ... канд. тех. наук. М. МГТУ, 2011. 134 с.

26.Зенкин В.А., Кулешов А.С. Профилирование впускных каналов дизеля для условий высокого наддува и больших перепадов давления между коллектором и цилиндром // Наука и образование. 10, октябрь 2013. С 43-84.

27.Vervaeke L., Berckmoes T., Verhelst S. The CRISTAL engine: ABC's new medium speed diesel engine, developed to comply with IMO III. // SIMAC 2013. Paper No. 83. pp. 12.

28.Гришин Ю.А. Дорожинский Р.К. Зенкин В.А. Численное моделирование турбулентного течения через клапаны поршневых двигателей. Вестник машиностроения. 2016. № 1. С. 24-28.

29.Онищенко Д.О., Панкратов С.А. Моделирование теплообмена в крышке цилиндра и клапанах дизеля // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках. Тезисы докладов XIX Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева. М.: Издательский дом МЭИ. 2013. С. 137-138.

30.0нищенко Д.О., Панкратов С.А.. Моделирование теплового состояния крышки цилиндра и клапанов дизеля // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». 2013. №4. С. 94-108.

31.ГОСТ Р 51249-99 Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами. Нормы и методы определения.

32.73 FR 88 25098-25352, 6 May 2008. URL: https://www.gpo.gov/fdsys/pkg/FR-2008-05-06/pdf/E8-7999.pdf (дата обращения: 20.06.2017).

33.Dieselnet. URL: dieselnet.com (дата обращения: 12.08.2016).

34.ГОСТ ISO 8178-4-2013. Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Измерение выброса продуктов сгорания. Часть 4. Испытательные циклы для двигателей различного применения на установившихся режимах. (ISO 81784:2007, IDT). 2014.

35.International maritime organization. URL: http://www.imo.org/ (дата обращения: 30.09.2016).

36.Марков В.А., Баширов Р.М., Габитов И.И. Токсичность отработавших газов дизелей. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. 376 с.

37.Wartsila. LNG-shipping-solutions . URL: http://cdn.wartsila.com/docs/default-source/oil-gas-documents/brochure-lng-shipping-solutions.pdf?sfvrsn=6 (дата обращения: 27.09.2016).

38.The gas engine learns how to swim//MTUreport 01/2016 P. 8.

39.Кавтарадзе Р.З. Теплофизические процессы в дизелях, конвертированных на природный газ и водород. М.: МГТУ, 2011. 238 с.

40.Approaches to reducing NOx emission in large bore engines/ Rajamani V. [et al.] // MTZ Industrial Special edition. August 2012. P. 46-51.

41.Brustle C. Advanced aftertreatment systems for locomotive applications// ATZ offhighway. Juli 2013. P. 36-45.

42.Integrated emission reduction and exhaust aftertreatment concepts/ Rosefort Y. [et al.] // ATZ offhighway. July 2013. P.4-12.

43.Ципленкин Г.Е., Иовлев В.И. Очередной шаг в развитии двухступенчатых систем наддува (обзор докладов конгресса CIMAC)// Двигателестроение. № 4.2013. С. 12-24.

44.M. Fiedler, H. Fiedler, P. Boy. Experimental Experience Gained with a Long-Stroke Medium-Speed Diesel Research engine using Two Stage Turbo Charging and Extreme Miller Cycle// CIMAC 2013. Paper No.: 253. 8p. [Перспективные технологии снижения выбросов NOx cудовых дизелей (материалы конгресса CIMAC 2013) // Двигателестроение. № 2. 2014. С. 38-54]

45.Baumgarten C., Haug C., Veser N. New MTU High-Performance Diesel Engines without Exhaust Gas Aftertreatment for Tier 4 // MTZ off-heighway. March 2016. P. 40-45.

46.Reduction of NOx Emission by 80% Using the Newly Developed System with a Polymer Membrane in Marine Diesel Engines/ Maeda K. [et al.] // CIMAC 2013. PAPER NO.: 423. 14 p. [Перспективные технологии снижения выбросов NOx cудовых дизелей (материалы конгресса CIMAC 2013) // Двигателестроение. № 2. 2014. С. 38-54.]

47.Pittermann R. EGR and Membrane Separation for IMO Tier III Compliance. MTZ industrial. March 2015, V. 5, I. 1, P. 66-72.

48.Development of a Nitrogen-enrichment/Humidification Membrane System for NOx Emission Reduction in a Marine Diesel Engine/ Atsushi S. [et al.] // Journal of the JIME. V.48, No.3. 2013.

49.Fenimore C.P. Formation of Nitric Oxide; in Premixedl Hydrocarbon Flames// Symposium (International) on Combustion; Pittsburgh; 1970; 13(1). P. 373-380.

50.Окисление азота при горении/ Зельдович Я.Б. [и др.]. М.: Изд-во Академии наук СССР, 1947. 147 с.

51.Evaluated Kinetic Data for Combustion Modelling/ Baulch D.L. [et al.] // Journal of Physical and Chemical Reference Data. Vol. 21, No.3, 1992. P. 411-734.

52.Energy Management for Large-Bore, Medium Speed Diesel Engines/ Kudicke R. [et al.] // CIMAC 2013 PAPER No.: 87. 11 p.

53.Круглов М.Г., Меднов А. А. Газовая динамика комбинированных двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение, 1988. 360 с.

54.Белов И.А., Исаев С.А. Моделирование турбулентных течений. Учеб. пособие. СПб.: Балт. гос. техн. ун-т, 2001. 108 с.

55.The european association for the promotion of cogeneration. URL: http://www.cogeneurope.eu/ (дата обращения: 24.04.2017).

56.Галимова Л.В. Абсорбционные холодильные машины и тепловые насосы: Учеб. пособие для спец. "Техника и физика низких температур" Астрахан.гос.тех.ун-т. - Астрахань: Изд-во АГТУ, 1997. - 226 с.

57.Increased Gasoline Engine Efficiency due to Charge Air Cooling Through An Exhaust Heat Driven Cooling System/ Kadunic S. [et al.] // MTZ 01.2014. V. 75. P. 58-65.

58.The exergy analysis of marine diesel engine waste heat recovery system/ Wang Z. [et al.] // SIMAC PAPER NO.: 47. 2013. 8p.

59.Rankine Cycle for Waste Heat Recovery of IC Engines/ Ringler J. [et al.] // SAE Int. J. Engines. Vol. 2. Is. 1. 2009.

60.Kakalis N., Dimopoulos G., Stefanatos I. Model-based techno-economic assessment and optimisation of marine waste heat recovery options // SIMAC 2013 PAPER No.: 183. 16 p.

61.Better Fuel Consumption By Waste Heat Recovery/ Neunteufl K. [et al.] // MTZ 12.2012 V. 73. P. 12-16.

62.The Second Generation Turbosteamer/ Freymann R. [et al.] // MTZ 02.2012 Vol. 73. P.18-23.

63.Коваленко Ю.Ф. Повышение эффективности двигателей внутреннего сгорания за счет утилизации теплоты их отработавших газов. Дисс ... к.т.н. 2003. 203 с.

64.TCS-PTG - MAN Diesel & Turbo's power turbine portfolio for waste heat recovery/ Mest S. [et al.] // SIMAC 2013. No. 214. 11p.

65.An investigation on the performance of a Brayton cycle waste heat recovery system for turbocharged diesel engines/ Song B. [et al.] // Journal of Mechanical Science and Technology 27 (6). 2013. P.1721-1729.

66.Ono Y. Solutions for Better Engine Performance at Low Load by Mitsubishi Turbochargers. SIMAC 2013. No. 15. 6p.

67.Результаты разработки гибридного агрегата наддува / Лазарев А. В. [и др.] // 7-е Луканинские чтения. Решение энерго-экологических про- блем в автотранспортном комплексе: тезисы докладов международ- ной научно-технической конференции. 2015. С. 40-41.

68.Иоффе А.Ф. Физика полупроводников. М.: АН СССР, 1957. 491 с.

69.Neild A. Portable Thermoelectric Generators // SAE Technical Paper 630019. 1963.

70.The Thermoelectric Generator from BMW is Making Use of Waste Heat/ Liebl J. [et al.] // MTZ 04/2009 V. 70. P. 4-11.

71.Risse S., Zellbeck H. Close-coupled exhaust gas energy recovery in a gasoline engine // MTZ 01.2013 V.74. P. 54-61.

72.Thermoelectric Generators for Automotive Waste Heat Recovery Systems Part I: Numerical Modeling and Baseline Model Analysis/ Kumar S. [et al.] // Journal of ELECTONIC MATERIALS. 2013. P. 665-674.

73.Vehicle Integration of a Thermoelectric Generator/ Rosenberger M. [et al.] // MTZ. 04/2016. V. 77. P. 36-42.

74.Modeling a Thermoelectric Generator Applied to Diesel Automotive Heat Recovery/ Espinosa N. [et al.] // Journal of ELECTRONIC MATERIALS, Vol. 39, No. 9, 2010. P. 665-674.

75.Bass J.C., Kushch A.S., Elsner N.B. Thermoelectric Generator (TEG) for Heavy Diesel Trucks. URL: http://www.hi-z.com/uploads/2/3/0/9/23090410/6 ._ict_2001_beijingchina.pdf (дата обращения: 17.09.2016).

76.Моделирование теплообмена в проточной части термоэлектрического преобразователя/ Панкратов С.А. [и др.] // Проблемы газодинамики и

тепломассобмена в энергетических установках: Тезисы докладов XX Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством акад. РАН А.И. Леонтьева. М.: Издательский дом МЭИ. 2015. С. 261-262.

77.Моделирование теплообмена в проточной части термоэлектрического преобразователя/ Панкратов С.А. [и др.] // Проблемы газодинамики и тепломассобмена в энергетических установках: Труды XX Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством акад. РАН А.И. Леонтьева. М.: Издательский дом МЭИ. 2015. С. 388-390.

78.Повышение эффективности рабочего процесса поршневого двигателя путем прямого преобразования теплоты выпускных газов в электрическую энергию/ Панкратов С.А. [и др.] // ТВТ. 2016. Том 54. Выпуск 1. С. 99-107.

79.Применение термоэлектрического генератора для обеспечения работоспособности турбины дизеля c частичной теплоизоляцией камеры сгорания/ Панкратов С.А. [и др.] // Тепловые процессы в технике. 2016. Т. 8. № 5. С. 227-232.

80.0нищенко Д.О., Панкратов С.А., Смирнов А.Ю. Экспериментальная проверка возможности снижения теплоотдачи в систему охлаждения дизеля путём частичной теплоизоляции камеры сгорания // 7-е Луканинские чтения. Решение энерго-экологических проблем в автотранспортном комплексе: тезисы докладов международной научно-технической конференции 2.02.2015 г. М.: МАДИ. 2015. С. 60-62.

81.Онищенко Д.О., Панкратов С.А., Смирнов А.Ю. Влияние частичной теплоизоляции камеры сгорания дизеля на теплоотдачу в систему охлаждения // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2016. № 3. C. 81-89.

82.Effectiveness of thermoelectric generators mounted into exhaust tract of internal combustion engine/ Pankratov S.A. [et al.] // Book of abstracts 14th Europen Conference On Thermoelectrics (ECT2016). Lisbon. Portugal. 20-23 Sept. 2016. P. 165.

83.Study of Influence of Hydraulic Thermoelectric Generator Resistance on Gasoline Engine Efficiency/ Pankratov S.A. [et al.] // International Journal of Applied Engineering Research. Vol. 12, No. 5. 2017. pp. 721-727.

84.Разработка математической модели для оптимизации конструкции автомобильного термоэлектрического генератора с учетом влияния его гидравлического сопротивления на мощность двигателя/ Панкратов С.А. [и др.] // Физика и техника полупроводников, 2017. Т. 51. Вып. 8. С. 10231027.

85.A Simulation Study on a Thermoelectric Generator for Waste Heat Recovery from a Marine Engine/ Ji D. [et al.] // Journal of ELECTRONIC MATERIALS. 2016.

86.Кадзикава Т. Современное состояние исследований и разработок в сфере технологии термоэлектрического генерирования в Японии // Термоэлектричество No 1, 2009. С. 18-30.

87.Анатычук Л.И. Термоэлементы и термоэлектрические устройства. Справочник. Киев: Наукова думка, 1979. 385 с.

88.Snyder G., Toberer E. Complex thermoelectric materials // Nature materials. V. 7. 2008 P. 105-114.

89.High Efficiency Quantum Well Thermoelectrics for Waste Heat Power Generation. Milliwatts to Kilowatts of Power/ Bass J.C [et al.] URL: https://energy.gov/sites/prod/files/2014/03/f9/2005_deer_krommenhoek.pdf (дата обращения: 27.03.2017).

90.M.A. Karri E.F. Thacher, B.T. Helenbrook. Exhaust energy conversion by thermoelectric generator: Two case studies // Energy Conversion and Management 52. 2011 P. 1596-1611.

91.Патанкар С.В. Численное решение задач теплопроводности и конвективного теплообмена при течении в каналах. М.: Издательство МЭИ, 2003. 312 с.

92.Moin P., Mahesh K. Direct Numerical Simulation A Tool in turbulence Research // Annual Review of Fluid Mechanics. 1998. Vol. 30. P. 539-578.

93.Онищенко Д.О. Улучшение эффективных и экологических показателей дизеля и снижение тепловых нагрузок на его основные детали: Дис. ... д-ра тех. наук. М. МГТУ, 2012. 234 с.

94.Снегирёв А.Ю. Высокопроизводительные вычисления в технической физике. Численное моделирование турбулентных течений. Учебное пособие. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2009. 143 с.

95.Smagorinsky J. General circulation experiments with the primitive equations. 1962. Monthly weather review. Volume 91, Number 3. pp. 99-165

96.Celik I., Yavuz I., Smirnov A. Large eddy simulations of in-cylinder turbulence for internal combustion engines: a review. Int. J. Engine Research. V. 2, No. 2, 2001. pp. 119-148.

97.Bing H, Rutland C.J.. Flamelet modeling with LES for Diesel Engine Simulations, SAE paper 2006-01-0058, pp.49-58, 2002.

98.Lee D., Pomraning E., Rutland C. LES Modeling of Diesel Engines. SAE Technical Paper 2002-01-2779, 2002.

99.Comments on the feasibility of LES for wings, and on a hybrid RANS/LES approach/ Spalart P. [et al.] // 1st AFOSR Int. Conf. on DNS/LES, Ruston, LA, 1997. In Advances in DNS/LES, C. Liu & Z. Liu Eds., Greyden Press, Columbus, OH.

100. Girimaji S., Jeong E., Srinivasan R. Partially-Averaged Navier-Stokes Model for turbulence: Fixed point analysis and comparison with unsteady Partially Averaged Navier-Stokes// J. of Applied Mechanics 73. 2006. P. 422-429.

101. Girimaji S. Partially-Averaged Navier-Stokes Model for turbulence: A Reynolds-Averaged Navier-Stokes to Direct Numerical Simulation bridging method. J. of Applied Mechanics. No 73. 2006. P. 413-421.

102. Chou P.Y. On Velocity Correlations and the Solutions of the Equations of Turbulent Fluctuations// Quart. of Appl. Math., N. 3, 1945. pp. 38 - 54.

103. Ansys Help. 2014.

104. Снегирёв А.Ю. высокопроизводительные вычисления в технической физике. Численное моделирование турбулентных течений Учеб. пособие. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2009. 143 с.

105. Hanjalic K., Popovac M., Hadziabdic M. A robust near-wall elliptic-relaxation eddy-viscosity turbulence model for CFD. International Journal of Heat and Fluid Flow 25. 2004. pp. 1047-1051.

106. Popovac M., Hanjalic K. Compound Wall Treatment for RANS Computation of Complex Turbulent Flows and Heat Transfer// Flow, Turbulence and Combustion. 2007. N. 78. pp. 177-202.

107. Теория тепломассообмена: Учебник для технических университетов и вузов / Исаев С.И., [и др.] // М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 1997. 683 c.

108. Magnussen B.F., Hjertager B.H. On mathematical modeling of turbulent combustion with special emphasis on soot formation and combustion// Symposium (International) on Combustion. 1977. P. 719-729.

109. Кавтарадзе Р.З., Онищенко Д.О., Зеленцов А.А. Трёхмерное моделирование нестационарных теплофизических процессов в поршневых двигателях. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. 85 с.

110. Colin O., Benkenida A. The 3-Zones Extended Coherent Flame Model (Ecfm3z) for Computing Premixed/ Diffusion Combustion. Oil & Gas Science and Technology - Rev. IFP, Vol. 59 (2004), No. 6, pp. 593-609.

111. Patankar S.V., Spalding D.B. A Calculation Procedure for Heat, Mass and Momentum Transfer In Three-Dimensional Parabolic Flows. International Journal of Heat and Mass Transfer. Volume 15, Issue 10, October 1972, Pages 1787-1806.

112. Versteeg H.K., Malalasekera W. An Introduction to computational fluid dynamics: The finite volume methods. New York: Longman Scientific & Technical, 1996. 257 p.

113. Suzzi D. Diesel Nozzle Flow and Spray Formation: Coupled Simulations with Real Engine Validation. Dr.-Ing. thesis. 2009.

114. Watkins, A.P., Khaleghi, H. An Ad-Hoc Procedure to Alleviate False Diffusion Effects in Computer Codes Using Discrete Droplet Models // International Symposium Commodia 90 (1990).

115. Kruger C. Validierung eines 1D-Spraymodells zur Simulation der Gemischbildung in direkteinspritzenden Dieselmotoren. Doktors Dissertation. 2001

116. Schiller L., Naumann A. A Drag Coefficient Correlation, VDI Zeitschrift. Vol. 77. P. 318-320. 1933.

117. Cunningham correction factor. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Cunningham_correction_factor (дата обращения: 12.08.2016).

118. Cunningham E. On the velocity of steady fall of spherical particles through fluid medium // Proc. R. Soc. Lond. A 1910 83, P. 357-365.

119. Liu A., Mather D., Reitz R. Modeling the Effects of Drop Drag and Breakup on Fuel Sprays // SAE Technical Paper 930072. 1993.

120. Dukowicz J. Quasi-Steady Droplet Phase Change in the Presence of Convection // Informal Report-Los Alamos Scientific Laboratory. LA 7997-MS. 1979.

121. Ranz W. E., Marshall W. R. Evaporation from Drops // Chem. Eng. Prog. 48, 141-146, 173-180, 1952.

122. Bose A. K., Pei C. T. Evaporation Rates in Spray Drying // Can. J. Chem. 42 252,1964.

123. Buchholz B., Pittermann R., Niendorf M. Measures to Reduce Smoke and Particulate Emissions from Marine Diesel Engines using Compact Common Rail Injectors // CIMAC 2007 PAPER No.: 129. 16 p.

124. Рыжов В.А., Калиниченко В.В. Патент на полезную модель №136859 Одноцилиндровая установка для исследования рабочего процесса дизельного двигателя/ 29.12.2012. Опубликовано Б.И. №2; 20.01.2014.

125. Гальговский В.Р. Определение тангенциальной скорости воздушного заряда в камере сгорания дизеля с непосредственным впрыском топлива // Труды НАМИ. М.,1969. Вып.118. С.56-75.

126. Расчётное определение вихревого числа среднеоборотного двигателя путём моделирования процесса впуска/ Панкратов С.А. [и др.] // Труды международной научно-технической конференции «Двигатель-2017», посвящённой 110-летию специальности «Поршневые двигатели» в МГТУ им. Н.Э. Баумана. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2017. 13 с.

127. Расчётное определение вихревого числа среднеоборотного двигателя путём моделирования процесса впуска/ Панкратов С.А. [и др.] // Сборник тезисов докладов международной научно-технической конференции «Двигатель-2017», посвящённой 110-летию специальности «Поршневые двигатели» в МГТУ им. Н.Э. Баумана. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2017. С. 64-65.

128. Онищенко Д.О., Панкратов С.А. Моделирование вихревого движения воздуха в цилиндре двигателя. // Тезисы докладов Юбилейной конференции Национального комитета РАН по тепло- и массообмену «Фундаментальные и прикладные проблемы тепломассообмена» и XXI Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством акад. РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассобмена в энергетических установках» (22—26 мая 2017 г., Санкт-Петербург). Т. 1. С. 154-155.

129. Chen A., Lee K.C., Yianneskis M., Ganti G. Velocity characteristics of steady flow through a straight generic inlet port // International journal for numerical methods in fluids, Vol. 21, 571-590 (1995).

130. Bicen A.F., Vafidis C., Whitelaw J.H. Steady and Unsteady Airflow Through the Intake Valve of a Reciprocating Engine // Journal of Fluids Engineering. V. 107. 1985. P. 413-420.

131. Попов И. А. Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного

оборудования при вынужденном и свободноконвективном движении теплоносителей. Автореф. ... д-ра тех. наук. Казань, 2008.

132. Калинин Э.К., Дрейцер Г. А., Ярхо С. А. Интенсификация теплообмена в каналах. М.: Машиностроение, 1981. 205 c.

133. Численное моделирование вихревой интенсификации теплообмена в пакетах труб/ Быстров Ю.А. [и др.]. СПб.: Судостроение, 2005.

134. Габдрахманов И.Р. Структура течения, теплоотдача и гидросопротивление каналов с цилиндрическими выемками. Дис. ... канд. тех. наук. 140 с. 2016

135. Some Characteristics of Flow Pattern and Heat Transfer past a Circular Cylindrical Cavity/ Hiwada M. [et al.] // Bulletin of JSME. V. 26 .1983. No. 220 P. 1744-1752.

136. Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования/ Гортышов Ю.Ф., [и др.]. Казань: Центр инновационных технологий, 2009. 531 с.

137. Численное моделирование смерчевой интенсификации теплообмена в узком канале с овальными лунками на нагретой стенке при прокачке воды/ Исаев С.А. [и др.] // Современная наука: актуальные проблемы теории и практики. № 1 (12). 2013. С. 410-419.

138. Анализ повышения теплогидравлической эффективности при движении трансформаторного масла в миниканале с однорядовым пакетом сферических и овальных лунок на нагретой стенке/ Исаев С.А. [и др.] // ТВТ. 51:6. 2013. С. 884-890.

139. Халатов А.А., Онищенко В.Н. Гидравлическое сопротивление системы многорядных углублений цилиндрической формы на плоской поверхности// Восточно-Европейский журнал передовых технологий. Выпуск № 5 (40). т. 4. 2009. С. 34-36.

140. Local heat fluxes on the surfaces of dimples, ditches, and cavities/ Mityakov V.Yu. [et al.] // Thermal Engineering. 2007. V. 54. I. 3. P. 200-203.

141. Influence of the Reynolds number and the spherical dimple depth on turbulent heat transfer and hydraulic loss in a narrow channel/ Isaev S.A. [et al.] // International Journal of Heat and Mass Transfer. №53. 2010. pp. 178-197.

142. Экспериментальное исследование теплогидравлических характеристик поверхностей с коридорным расположением лунок /Бурцев С.А. [и др.] // Наука и Образование. № 5. 2015. С. 348-369.

143. Heat Transfer Intensification for Laminar and Turbulent Flows in a Narrow Channel with One Row Oval Dimples/ Isaev S. A [et al.] // High Temperature. 2015. V. 53, No. 3 P. 375-386.

144. Экспериментальное исследование характеристик поверхностей, покрытых регулярным рельефом/ Бурцев С. А. [и др.] // Наука и Образование. № 1. 2013. C. 263-290.

145. Совмещение PIV-диагностики и градиентной теплометрии при исследовании течения в сферической лунке/ Зайнуллина Э.Р. [и др.] // Проблемы газодинамики и тепломассобмена в энергетических установках: Труды XX Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством акад. РАН А.И. Леонтьева (24 - 29 мая 2015 г., г. Звенигород), 2015. С. 196-199.

146. Vortex mechanism of heat transfer enhancement in a channel with spherical and oval dimples/ Turnow [et al.] // Heat and Mass Transfer. V. 47. I. 3. 2011. P. 301-313.

147. Сапожников С.З., Митяков В.Ю., Митяков А.В. Основы градиентной теплометрии. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2012 . 203 с.

148. Онищенко Д.О., Панкратов С.А. Численное моделирование течения газа в канале с лунками. // Труды Юбилейной конференции Национального комитета РАН по тепло- и массообмену «Фундаментальные и прикладные проблемы тепломассообмена» и XXI Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством акад. РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассобмена вэнергетических установках» (22—26 мая 2017 г., Санкт-Петербург). Т. 1. С. 228-231.

149. Онищенко Д.О., Панкратов С.А. Численное моделирование течения газа в канале с лунками. // Тезисы докладов Юбилейной конференции Национального комитета РАН по тепло- и массообмену «Фундаментальные и прикладные проблемы тепломассообмена» и XXI Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством акад. РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассобмена в энергетических установках» (22—26 мая 2017 г., Санкт-Петербург). Т. 1. С. 152-453.

150. Кутателадзе С.С., Боришанский В.М. Справочник по теплопередаче. М.: Государственное энергетическое издательство. 1958. 430 с.

151. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.: «Энергия», 1977. 344 с.

152. MATLAB. URL: http://matlab.ru/ (дата обращения: 27.09.2016).

153. Термоэлектрическая эффективность низкотемпературных генераторных материалов и возможности её повышения/ Симкин А.В. [и др.] // Журнал нано- и электронной физики. Том 5. № 4. 04070(6cc). 2013.

154. Идельчик И.Е. Справочник по гидравличесим сопротивлениям// М.: Машиностроение. 1992. 672 с.