CC BY
15
УДК 621.44.3:678-462
ГРИЦУК 1.В., к.т.н., доцент (Дон1ЗТ); АДРОВ Д.С., аспiрант (ДонНАБА).
Покращення показникчв паливноУ економ1чност1 1 еколог1чних показник1в газопоршневого двигуна внутр1шнього згорання К-159М2 застосуванням елемент1в системи комб1нованого прогр1ву при зд1йсненн1 пуску 1 прогр1ву
Актуальн1сть
Практична експлуатацiя двигунiв внутршнього згоряння в складi енерге-тичних установок (ЕУ) i транспортних засобiв (ЗТ) показуе, що !х потенщал за продуктивнiстю, безвiдмовнiстю,
зручнiстю обслуговування й шшими показниками реалiзуeться далеко не повнютю. Пояснюеться це тим, що умо-ви 1хньо1 експлуатаци вiдрiзняються, причому в рядi випадюв дуже iстотно, вiд тих, на яю вони розрахованi. У цих умовах серед основних проблем ефективно! експлуатаци ЕУ й ЗТ особ-ливе мюце займае передпускова теплова тдготовка двигуна внутрiшнього згорання (ДВЗ). Достатньо часто ця проблема збшьшуеться в залежностi вщ вiддаленостi ЕУ й ЗТ при робот вiд мiсць 1х постшного базування, населе-них пунктiв i лiнiй електропередач, що суттево утруднюе або повнiстю виключае можливiсть застосування традицшних способiв i засобiв передпусково! пiдготовки i прогрiву.
Пуск двигуна - необхщна умова роботи будь-яко! енергетично! установки. Особливо складним, утрудненим, таким, що супроводжуеться не тшьки зниженням моторесурсу, але й небезпе-кою аварп, е «холодний» пуск, тобто пуск непрогрiтого двигуна в умовах знижених температур навколишнього повггря. Пусковi якосп двигунiв оцiнюються граничною температурою надшного пуску i часом, необхiдним
для тдготовки ДВЗ до прийняття наванта-ження. При понижених температурах самого двигуна i оточуючого його середовища пуск ускладнюеться, надiйнiсть пуску ютотно знижуеться, а час тдготовки до прийняття навантаження зростае.
Анал1з публ1кац1й
Для полегшення пуску i прогрiву двигуна на кафедрi рухомого складу залiзниць Дон1ЗТ було створено систему комбшованого прогрiву ДВЗ (на прикладi газопоршневого двигуна внутршнього згорання К-159М2) й проведет вщповщт дослiдження. Насамперед, була розроблена система регулювання температури охолоджуючо! рiдини ДВЗ з утатзащею те-плоти з тепловим акумулятором, удоскона-лена схема системи охолодження двигуна внутрiшнього згорання для ще! системи, було розроблено тепловий акумулятор (ТА) фазового переходу. ТА дозволяе накопичу-вати теплоту, яка утворяться при згоранш палива та не йде на виконання корисно! роботи, а втрачаеться з вщпрацьованими газами. Кшькють теплоти, яку накопичуе ТА вщповщае необхщнш кшькосп теплово! енерги, яка потрiбна для попереднього прогрiву двигуна вiд максимально низько! температури оточуючого середовища (задаеться при проектувант системи) до температури .
Мета роботи
Мета роботи в данш робот - ви-значення показниюв паливно! економiчностi i еколопчних показникiв газопоршневого двигуна внутрiшнього згорання К-159М2 (6ЧН 12/14) застосу-ванням елементiв системи
комбiнованого прогрiву в режимi його прогрiву вiд температури оточуючого середовища до температури «гарячого пуску» та можливостi навантаження.
Основний матер1ал
При розробцi i дослщженш системи комбiнованого прогрiву (системи оперативно! готовносл двигуна) дизеля з блоком прискореного прорву (СППД) та блоком утилiзащi теплоти тепловим акумулятором (СУТТА) фазового переходу ставилась основна мета п створення - зменшення витрати палива i шкщливих викидiв при пiдтриманнi температури водяно! системи енергетично! установки при заглушено-му газопоршневому двигунi
внутрiшнього згорання К-159М2 в межах температур «гарячого пуску» при низьких температурах оточуючого повггря в реальних умовах експлуатацп на основi технологи теплового акуму-лювання, коли пiд час довгих за часом просто!в робота двигуна здшснюеться в режимi холостого ходу.
При формуванш системи комбшованого прогрiву газопоршневого двигуна внутрiшнього згорання К-159М2 (6ЧН 12/14) були визначеш па-раметри й динамiчнi властивостi всiх основних й ланок. Умовно роботу означено! системи можливо роздшити на кшька послiдовних режимiв: режим 1 - зниження температури елемешив сис-теми охолодження газопоршневого дви-гуна внутрiшнього згорання К-159М2 в дшсних умовах експлуатацп для визна-чення вiдповiдного часу включення елементiв пiдiгрiву на основi теплового акумулювання; 2 - режим прорву сис-теми охолодження газопоршневого дви-
гуна внутрiшнього згорання К-159М2 для тдтримання його роботоздатносп в межах температур «гарячого пуску» в реальних умовах експлуатацп; 3 - прискорена тдготовка параметрiв системи охолодження (СО) газопоршневого двигуна внутршнього згорання К-159М2 до «гарячого пуску»; 4 -пуск газопоршневого двигуна внутршнього згорання К-159М2 при температурi охолоджуючо! рщини не менше 50ОС. Пiд час випробувань, дослiджувалась робота ДВЗ iз штатною системою охолодження двигуна та дослщною системою комбшованого прорву ДВЗ у складi СППД й СУТТА в процес передпусково! пiдготовки, пуску i прискореного прорву. Параметр, змiна якого ретельно дослщжувалась - температура
охолоджуючо! рiдини ДВЗ, яка вимiрювалась за допомогою термопар в елементах дослщжуваного двигуна. Випро-бовування проводилися для штатно! систе-ми охолодження ДВЗ та для створено! системи комбшованого прорву ДВЗ. При цьому розглядались окремi режими роботи системи комбшованого прорву ДВЗ, а са-ме СППД та СУТТА, при цьому здшснювався попереднш передпусковий про^в ДВЗ до температури охолоджуючо! рiдини 40, 50 та 60°С.
Для забезпечення у повнш вiдповiдностi до обумовлених в дослщженнях вимог щодо процесу передпусково! теплово! пiдготовки i прискореного прорву ДВЗ на прикладi дослщно! установки було розроблено алгоритм формування процесу прискореного про^ву ДВЗ у процесi передпусково! тдготовки, пуску, прискореного прогрiву його до температури, що дозволяе здiйснювати приймання навантаження в процес роботи, тобто формування оперативно! готовностi ДВЗ за допомогою розроблено! системи, що включае в себе елементи прискореного прорву й тепловий акумулятор фазового переходу. Розробле-ний алгоритм включае в себе 3 складових частини: алгоритм роботи системи прискореного прорву, алгоритм роботи ТА i ал-
горитм вае! системи комбшованого прогрiву ДВЗ в цшому, яка працюе з означеними алгоритмами у складi цшо! системи.
Пристрш комбiнованого прогрiву ДВЗ на основi систем прискореного прогрiву й утилiзацп теплоти вiдпрацьованих газiв тепловим акуму-лятором (ТА) призначений для контролю температур теплоноая в системi охолодження ДВЗ енергетично! установки й автоматичного регулювання режимiв !хнього прогрiву. Пристрiй може ефективно застосовуватись на будь яких енергетичних установках i транспортних засобах iз привiдними двигунами внутрiшнього згорання. Наслщком застосування даного пристрою е контроль i можливiсть ефек-тивного автоматичного керування про-цесом прорву теплоносiя системи охолодження ДВЗ у процес передпусково! тдготовки, запуску ДВЗ i прискореного прорву його до температури, при якш можливо здiйснювати навантаження двигуна, тобто не менш 50°С. Крiм цьо-го розроблений пристрiй iнформуе про поточний стан температур теплоносив i процеси !хнього прогрiву.
Контрольнi датчики температури охолоджувально! рiдини встановлюють-ся у вщповщних мiсцях СО ДВЗ. Суть у тому, що якщо температура теплоносив нижче гранично допустимого рiвня (40°С), то для здшснення процесу пуску ДВЗ спочатку запускаеться система ТА й пропускае за допомогою насоса через ТА рщкий теплоносш, що забирае теп-
лоту накопичену ТАМ й транспортуе п усе-редину малого кола циркуляци ДВЗ до до-сягнення встановлено! температури (40°С). Пiсля цього здшснюеться пуск ДВЗ i запускаеться система прискореного прогрiву ДВС, а по досягненнi температури теплоносив у малому тш ДВС 80°С система комбiнованого прогрiву ДВЗ вщбуваеться зарядка ТА, для можливосп повторного прогрiву. У випадку тдвищення температури теплоносiя бiльше допустимо! норми (бшьше 90°С) спрацьовують електромагнiтнi клапани на вщключення вiдповiдних елементiв системи. У рамках поставленого завдання, працюючи в автоматичному режиму пристрш виконуе наступш функцп: зчитування значень датчиюв температури охолоджуючо! рщини; порiвняльний аналiз температурних характеристик з метою виявлення стану теплоносив; керування системою прогрiву вiдповiдно до отримано! iнформацГí, а саме: вибiр режимiв прогрiву; вiдключення вiдповiдних елементв пристрою у випадку збiльшення температур теплоносив вище допустимо! норми.
Дослщження проводились при температурi оточуючого середовища +20ОС, 0ОС, -20ОС. На рис. 1 представлено фрагмент результат дослщження - при температурi оточуючого середовища -20оС. В табл. 1 представлено результати дослщжень на математичнш моделi роботи газопоршневого двигуна внутршнього згорання К-159М2 з системою комбшованого прорву при здiйсненнi пуску i прогрiву при температурах оточуючого середовища +20ОС, 0ОС, -20ОС.
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
змша температур ДВЗ га ТА у процес! роботи си с теми опера тивноТ готов ноет! ДВЗ К с
прогрев ДВЗ е1д ТА
запуск ДВЗ теля прогр1ву в1д ТА, подальшийпрогр1в,можлив1сть навантаження ДВЗ
завершения поеного прогршу ДВЗ, зарядка ТА
прогрев ДВЗ на холостому ход 1 без н авантаже имя (з СЛП та без)
подалыиий прогр«в ДВЗ з можлив1сгю навантаження
~т
запуск ДВЗ пкяя прогр1ву вщ ТА до:
3 40РС; 4 5&>С; 5 - <5<ЯС; можливктъ навантаження
можливкггъ навантаження ДВЗ пк л я прогр1ву з штатною системою та при використания СППДГ
500 1000 1500 204Ю 2500 3000 3500 4000
МОх г сумарна витрата пального у процес! прогр!ву ДВЗ 1 штатна система, 2 - з СППД, 3,4,5 з СППД та СУТТЛ '
1 [ 1 запуск ДВ пк пя 111«.г | > 1 ^у в ¡д ТА до; 3 - 4(ТС; 4 - ^СРС; 5 - вОШ: ( 1 1 1 1 йаожпип кль навантаження/ : пк'ля 11 [>> 1 и у з штатнено системою __ та при в инг}рм< ,|Мм- СППД 1
— МОЖЛН&ЕТЬ маБактаження /
_ \ _
- N. ^--2
' <1 .
- —------■— 1 1 1 ( 1 1
Кг
ЮС 2500 3000 3500 4000 4500 С 5000
сумарн] викиди оксид ¡в азоту у процес! прогр1ву ДВЗ 1 - штатна система, 2 - з СППД, 3,4,5 з СППД та СУТТА
запуск ДВЗ пк ля прогр1ву в(д ТА до:
3-4<ЯС;4-50С;5 бОС; можливктъ иавантажоння
Можлинк гь ннв.1н1ажрннн ДВЗ пк ля П|кя р!йу з ш 1.-5 т т но системою та при використання СППД
0 500 1000 1500 200« 2500 3000 3500 4000 4500 ^ С 5000
су марш викиди тверд их частоку процес1 прогр1ву ДВЗ 1 - штатна система, 2 - з СППД, 3,4,5 з СППД та СУТТА
Рис.1. Результати розрахунку на математичнш моделi роботи газопоршневого двигуна внутрiшнього згорання К-159М2 з системою комбшованого прогрiву при здшсненш пуску i прогрiву при температурi оточуючого середовища -20 0С
Рис. 2. Результати розрахунку на математичнш моделi роботи газопоршневого двигуна внутршнього згорання К-159М2 з системою комбшованого прорву при здшсненш пуску i прогрiву при температурi оточуючого середовища -20 0С (продов-
ження)
Таблиця 1
Результати дослiджень на математичнш моделi роботи системи комбшованого nporpiBy газопоршневого двигуна внутрiшнього згорання К-159М2 з системою _комбшованого прорву тд час здiйснення пуску i прогрiвy_
Параметр Температура оточуючого середовища
200С 00С -200С
Час nporpiBy ДВЗ в штервалк вiд температури оточуючого середовища до температури «гарячого пуску» та можливосп навантаження
До 50С з штатним насосом СО двигуна (ба-зова система (БС)), с 1341 1829 2739
Попереднiй прогрiв вiд ТА до 40С, с економiя часу у порiвняннi з БС, с 832 509 (38%) 1343 486 (27%) 1816 923 (34%)
Попереднш прогрiв вiд ТА до 50С, с економiя часу у порiвняннi з БС, с 862 479 (36%) 1433 396 (21%) 1956 783 (29%)
Попереднш про^в вiд ТА до 60С, с економiя часу у порiвняннi з БС, с 890 451 (34%) 1541 288 (16%) 2124 615 (22%)
Сумарна витрата палива в штервалк при прогрiвi ДВЗ вiд температури оточуючого середовища до температури «гарячого пуску» двигуна та можливосп навантаження
До 50С з штатним насосом СО двигуна (ба-зова система (БС)), м3 2,424 3.147 3,764
Попереднш про^в вщ ТА до 40С, м економiя палива у порiвняннi з БС, м3 0,982 1,442 (59%) 0,895 2,259 (72%) 0,746 3,018 (80%)
Попереднш про^в вiд ТА до 50С, м економiя палива у порiвняннi з БС, м3 0,933 1,491 (62%) 0,789 2,359 (75%) 0,636 3,128 (83%)
Попереднiй про^в вiд ТА до 50С, м економiя палива у порiвняннi з БС, м3 0,861 1,563 (64%) 0,643 2,504 (79%) 0,485 3,278 (87%)
Викиди оксид1в азоту в штервалк при прогрiвi ДВЗ вщ температури оточуючого середовища до температури «гарячого пуску» двигуна та можливосп навантаження
До 50С з штатним насосом СО двигуна (ба-зова система (БС)), г 3,103 5,864 9,106
Попереднш про^в вщ ТА до 40С, г зменшення викидiв у порiвняннi з БС, г 0.412 2.691 (86%) 0,333 5,531 (94%) 0,214 8,892 (97%)
Попереднш про^в вiд ТА до 50С, г зменшення викидiв у порiвняннi з БС, г 0.362 2.741 (88%) 0,246 5,617 (96%) 0,146 8,959 (98%)
Попереднiй про^в вiд ТА до 60С, г зменшення викидiв у порiвняннi з БС, г 0.299 2.803 (90%) 0,151 5,713 (97%) 0,076 9,029 (99%)
Викиди твердих часток в штервалк при прогрiвi ДВЗ вщ температури оточуючого середовища до температури «гарячого пуску» двигуна та можливосп навантаження
До 50С з штатним насосом СО двигуна (ба-зова система (БС)), мг 0,3386 0,626 0,905
Попереднш про^в вщ ТА до 40С, мг зменшення викидiв у порiвняннi з БС, мг 0,0673 0,301 (82%) 0,056 7,87 (90%) 0,039 0,865 (95%)
Попереднш про^в вщ ТА до 50С, мг зменшення викидiв у порiвняннi з БС, мг 0,0606 0,308 (84%) 0,044 0,582 (93%) 0,029 0,875 (97%)
Попереднiй про^в вiд ТА до 60С, мг зменшення викидiв у порiвняннi з БС, мг 0,0521 0,316 (86%) 0,030 0,596 (95%) 0,0176 0,887 (98%)
Висновки
Отриманi результати паливно! економiчностi i екологiчнi показники газопоршневого двигуна внутрiшнього згорання К-159М2 пщтвердили високу ефективнiсть застосування елементiв системи комбшованого прогрiву в режимi його прорву вiд температури оточуючого середовища до температури «гарячого пуску» та можливосп наван-таження.
Список лггератури
1. Патент на корисну модель ИЛ № 62417, МКП Б01Р 3/22 (2006.01). Система регулювання температури охолоджуючо! рiдини газопоршневого електроагрегату з утилiзацiею теплоти з тепловим акумулятором [Текст] / 1.В. Грицук та ш.; Власник НТУ - заявл. 25.08.2011; опубл. 25.08.2011, Бюл. №16, - 5с.: ш.
2. Адров Д. С. Тепловий акумуля-тор як зааб тдвищення ефективностi пуску стацiонарного двигуна в умовах низьких температур [Текст] / Д. С. Ад-ров, 1.В .Грицук та ш. - Збiрник науко-вих праць Донецького шституту залiзничного транспорту Украшсько! державно! академГ! залiзничного транспорту. - Донецьк: Дон1ЗТ, 2011- Випуск №27, с. 117-126
3. Грицук, 1.В. Математична модель розрахунку показниюв двигуна внутршнього згорання з системою комбшованого прорву при здшсненш пуску i прогрiву [Текст] / I.В.Грицук, Д.С. Адров // Мiжвуз. збiрник «Науковi
нотатки»,- Луцьк: ЛНТУ, 2012. - Випуск №36, с. 68-72.
4. Грицук, 1.В. Алгоритм формування оперативно! готовностi двигуна
внутршнього згорання з системою приско-реного прогрiву й утилiзацiею теплоти вщпрацьованих газiв тепловим акумулятором [Текст] / 1.В.Грицук, Д.С. Адров та ш. -Збiрник наукових праць Донецького шституту залiзничного транспорту Укра!нсько! державно! академп
залiзничного транспорту. - Донецьк: Дон1ЗТ, 2012- Випуск №29, с. 143-156
Анотацн:
У статт наведеш результати дослщження системи комбшованого прогр1ву газопоршневого двигуна внутршнього згорання К-159М2, яка включае в себе систему прискореного прогр1ву та систему утил1зац1!' теплоти тепловим акумулятором в режим1 його прогр1ву ввд температури оточуючого середо-вища до температури «гарячого пуску» та можливосп навантаження.
В статье приведены результаты исследования системы комбинированного прогрева газопоршневого двигателя внутреннего сгорания К-159М2, которая включает у себя систему ускоренного прогревания и систему утилизации теплоты тепловым аккумулятором в режиме его прогревания от температуры окружающей среды к температуре «горячего пуска» и возможности нагрузки.
The results of studies of the combined heating gas-piston internal combustion engine K-159M2, which involves rapid heating system and heat utilization system thermal battery using its heating from ambient temperature to a temperature of "hot start" and the possibility of load.
