Автореферат (Улучшение показателей среднеоборотного дизеля путем совершенствования рабочего процесса и использования перспективного метода утилизации теплоты отработавших газов)

На правах рукописиУДК 621.436Панкратов Сергей АлександровичУЛУЧШЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СРЕДНЕОБОРОТНОГО ДИЗЕЛЯПУТЕМ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ИИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПЕРСПЕКТИВНОГО МЕТОДА УТИЛИЗАЦИИТЕПЛОТЫ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВСпециальность 05.04.02 - Тепловые двигателиАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2017Работа выполнена в федеральном государственном бюджетномобразовательномучреждениивысшегообразования«Московскийгосударственный технический университет имени Н.Э. Баумана(национальный исследовательский университет)»Научный руководитель:Онищенко Дмитрий Олеговичдоктор технических наук, профессор кафедрыпоршневых двигателей ФГБОУ ВО МГТУ им.Н.Э.

БауманаОфициальные оппоненты: Куколев Максим Игоревиччлен-коррепондент Академии военных наук РФ,доктор технических наук, старший научныйсотрудник, профессор кафедры «Гидравлика ипрочность» (ИСИ) ФГАОУ ВО СПбПУСкрипник Алексей Александровичкандидат технических наук, руководитель поразвитию бизнеса AST – руководитель отделарасчётных исследований ООО «АВЛ»Ведущее предприятие:Государственный научный центр РоссийскойФедерации Федеральное государственноеунитарное предприятие «НАМИ»Защита диссертации состоится «3» октября 2017 г. в 14.00 часов на заседаниидиссертационного совета Д 212.141.09 в Московском государственномтехническом университете им.

Н.Э. Баумана по адресу: 105005, Москва,Рубцовская наб., д.2/18, Учебно-лабораторный корпус, ауд. 947.С диссертацией можно ознакомиться на сайте www.bmstu.ru и в библиотекеМГТУ им. Н. Э. БауманаВаши отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатьюучреждения, просим направить по адресу: 105005, Москва, 2-ая Бауманскаяул., д. 5, стр. 1, МГТУ им. Н.Э.

Баумана, ученому секретарюдиссертационного совета Д 212.141.09.Автореферат разослан «___» ____________ 2017 г.Ученый секретарь диссертационного советак. т. н., доцентТумашев Р.З.Актуальность проблемы.В настоящее время основным требованием к большинству типовпоршневых двигателей является повышение эффективности и снижениетоксичности отработавших газов. В тоже время, эти задачи сопряжены снеобходимостью всё более возрастающего форсирования двигателей.Основным путём достижения требуемых параметров являетсясовершенствование рабочего процесса и эффективное использование энергииотработавших газов.

Следует подчеркнуть, что в последнее времяпрактически все ведущие производители поршневых двигателей широкоразвернули работы по исследованию и внедрению на практикетермоэлектрических генераторов (ТЭГ), основанных на эффекте Зеебека ипозволяющих преобразовать тепловую энергию отработавших газов вэлектрическую. Здесь, прежде всего, следует отметить разработки такихавтомобильных производителей, как BMW и GM. Что касаетсясреднеоборотных двигателей, это направление только начинает развиваться иОАО «Коломенский завод» стал одним из первых, где вопросу создания ивнедрения ТЭГ в состав комбинированного двигателя уделяется должноевнимание.

Необходимо заметить, бурное развитие современных технологий,в частности нанотехнологий, играет важную роль в усовершенствованиитермоэлектрических батарей. Тот факт, что условие работы ТЭГнепосредственно зависит от протекания рабочего процесса, делаетнеобходимым исследование возможности повышения эффективности работыТЭГ при сохранении приемлемых экологических и эффективных показателейДВС.

Очевидно, что решение этой актуальной задачи лучше всегоосуществить на основе современных методов трёхмерного математическогомоделирования сложных процессов течения, смесеобразования, сгорания итеплообмена, имеющих место в цилиндре двигателя и проточной части ТЭГи характеризующихся высоким уровнем турбулентности.В связи с этим целью работы является повышение эффективности иснижения токсичности комбинированной силовой установки путемусовершенствования рабочего процесса и использования перспективногометода утилизации энергии отработавших газов путем применениятермоэлектрического генератора.Научная новизна работы заключается в том, что:–Разработана, верифицирована и реализована обобщенная 3Dмодель теплофизических процессов, протекающих как в камере сгорания, таки в термоэлектрическом генераторе, позволяющая прогнозироватьэффективные и экологические характеристики дизеля и оценитьэффективность использования энергии выпускных газов.–Исследована возможность применения ТЭГ в составекомбинированной силовой установки со среднеоборотным дизелем с цельюповышения ее эффективности.–Разработаны и реализованы алгоритм и программа расчеталокального теплообмена в термоэлектрическом генераторе.1Достоверностьиобоснованностьнаучныхрезультатовопределяются:–использованием фундаментальных законов и уравненийтеплофизики, газодинамики и физической химии с соответствующимиграничными условиями, современных численных методов реализацииматематических моделей;–применениемдостоверныхэкспериментальныхданныхполученныхвНаучно-образовательномцентре«Поршневоедвигателестроение и специальная техника» МГТУ им.

Н.Э. Баумана, а такжев ОАО «Коломенский завод», Санкт-Петербургском политехническомуниверситете Петра Великого, Rostock University, King’s College London, FordMotor Company Limited и Имперском колледже Лондона.Практическая значимость состоит в том, что:–Разработанныемодели,алгоритмыирасчетноэкспериментальные методы расчета в совокупности представляют собойинструмент, позволяющие улучшить показатели среднеоборотного дизеляпутём совершенствования рабочего процесса и утилизации теплотыотработавших газов в термоэлектрическом генераторе.–Определены значения конструктивных и регулировочныхпараметров среднеоборотного дизеля ЧН26,5/31, обеспечивающихулучшение его эффективных и экологических показателей, а такжеприемлемые условия для функционирования ТЭГ.–Проведена расчётная оценка вихревого числа двигателяЧН26,5/31(Д500) на различных режимах его работы по нагрузочнойхарактеристике.

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 докладывалисьна:- XIX Школа-семинар молодых ученых и специалистов подруководством академика РАН А.И. Леонтьева (Орехово-Зуево, 2013).- Конференция «Экологически чистый транспорт «Зеленыйавтомобиль» (Москва, 2014).- 7-е Луканинские чтения. Решение энерго-экологических проблем вавтотранспортном комплексе (Москва, 2015).- XX Школа-семинар молодых ученых и специалистов «Проблемыгазодинамики и тепломассообмена в энергетических установках»(Звенигород, 2015).- Всероссийская конференция «XXXII Сибирский теплофизическийсеминар», посвящённая 80-летию со дня рождения академика В.Е.Накорякова (Новосибирск, 2015).- 14th European Conference on Thermoelectrics (Лиссабон, 2016).2- Международная научно-техническая конференция «Двигатель-2017»(Москва, 2017).- XX Школа-семинар молодых ученых и специалистов «Проблемыгазодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (СанктПетербург, 2017).Личный вклад.Автором разработана методика определениявихревого числа среднеоборотного двигателя путём моделированияпроцессов наполнения сжатия в цилиндре.

Получена зависимость угловойскорости вихревого движения заряда от режимных параметров дизеля.Автор принимал участие в проведении экспериментальныхисследований дизеля ЧН26,5/31. С использованием экспериментальныхданных проведена верификация математической модели рабочего процессасреднеоборотного дизеля. С помощью программного комплекса FIREпроведено исследование влияния вихревого числа и ряда конструктивныхпараметров на показатели дизеля.Исследован способ утилизации теплоты отработавших газов сиспользованием термоэлектрического генератора. Проведено моделированиятечения отработавших газов в проточной части теплообменникатермоэлектрического генератора и получена оптимальная геометриявихревых интенсификаторов теплообмена. Для моделирования теплообменав термоэлектрическом генераторе с учётом особенностей его работыразработана программа в среде программирования MATLAB.

Исследовановлияние термоэлектрического генератора на двигатель, показанавозможность его использования для увеличения КПД двигателя.Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 18работах общим объёмом 2.8 п.л., из них 6 – в изданиях, входящих в переченьВАК РФ и 2 – в базу Scopus.Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит извведения, четырёх глав, основных выводов и приложений. Она содержит 181страницу машинописного текста, 97 рисунков и 34 таблицы. Списоклитературы включает 154 источников, из них 85 на иностранных языках.Работа выполнена в рамках проекта RFMEFI57714X0113 Министерстваобразования и науки РФ.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении приведена целесообразность разработка методовснижения выбросов оксидов азота с отработавшими газами дизеля и методовутилизации теплоты отработавших газов.В первой главе проведён анализ работ посвящённых моделированиюпроцессов протекающих в поршневом двигателе, снижению токсичностивыхлопных газов и утилизации теплоты отработавших газов.Проанализированы работы Н.А.