ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО АККУМУЛЯТОРА ДИЗЕЛЯ В РЕЖИМЕ ПРЕДПУСКОВОГО ПОДОГРЕВА

TECHNICAL SCIENCES

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО АККУМУЛЯТОРА ДИЗЕЛЯ В РЕЖИМЕ ПРЕДПУСКОВОГО

ПОДОГРЕВА

Габдрафиков Ф.З.

доктор технических наук, профессор кафедры теплоэнергетики и физики ФГБОУ ВО «Башкирский государственный аграрный университет»

Уфа, Россия

STUDY OF THE THERMAL BATTERY OF THE DIESEL IN THE MODE OF PREHEATING

HEATING

Gabdrafikov F.

Doctor of Technikal Sciences, Professor of the Department of Heat and Power Engineering and Physics FSBEI HE « Bashkir State Agrarian University», Ufa

АННОТАЦИЯ

В статье приводятся результаты исследования теплового аккумулятора фазового перехода в режиме предпускового подогрева тракторного дизеля. Приведена принципиальная схема работы теплового аккумулятора в режиме разрядки. Для процесса разрядки теплового аккумулятора приведена математическая модель, позволяющая производить качественное вычисление значений температуры и времени предпускового подогрева тракторного дизеля. Разработана экспериментальная система предпусковой подготовки дизеля, проведены моторные испытания процесса разрядки теплового аккумулятора. Установлены сокращение времени подогрева до рабочей температуры тракторного дизеля и снижение его расхода топлива при использовании теплового аккумулятора в режиме предпускового подогрева.

ABSTRACT

The article presents the results of the study of the thermal accumulator of the phase transition in the preheating mode of the tractor diesel. A schematic diagram of the operation of the heat accumulator in the discharge mode is given. For the process of discharging a heat accumulator, a mathematical model is presented that allows for a qualitative calculation of the values of temperature and pre-heating time of a tractor diesel engine. An experimental diesel engine pre-launch preparation system has been developed, motor tests of the heat accumulator discharge process have been carried out. The reduction of the heating time to the working temperature of the tractor diesel engine and the reduction of its fuel consumption when using a heat accumulator in the preheating mode are established

Ключевые слова: тракторный дизель, тепловой аккумулятор, предпусковой подогрев, математическая модель, аккумулятор фазового перехода.

Keywords: tractor diesel, heat accumulator, preheating, mathematical model, accumulator of phase transition.

Введение. Для тракторных дизелей наиболее неблагоприятными режимами работы является эксплуатация при низких температурах окружающей среды, из-за затрудненного запуска и повышенного расхода топлива [3,18,19,20].

Исследования, проведенные в ряде сельхозпредприятий Республики Башкортостан Российской Федерации, показали, что дизели машинно-тракторных агрегатов эксплуатируются практический весь год, при этом большую часть времени и при низких температурах. И, как следствие, за сезон работы перерасход топлива вырастает до 15.. .20%.

Процесс запуска дизеля и длительная подготовка техники к нагрузочной работе обуславливает большой расход топлива, энергии и дополнительных средств [1,4,7,16,17].

Решение проблемы предпускового подогрева и запуска дизельного двигателя реализуется разными способами и средствами. За рубежом и в Российской Федерации выпускаются предпусковые подогреватели различных конструкций [2,13,14,15]. Классификацию предпусковых подогревателей по назначению, по роду и способу подвода теплоносителя приведены на рисунке 1.

Рисунок 1. Классификация предпусковых подогревателей.

Одним из наиболее распространенных способов предпусковой подготовки является подогрев подогревателями, функционирующими от электрической сети 220 вольт, которые отличаются простотой конструкции и достаточной надежностью, но имеют существенные недостатками из-за неавтономности, пожароопасности и большого расхода электроэнергии. В виду высокой стоимости, сложности монтажа, пожароопасности и расхода топлива автономные подогреватели не нашли распространения на тракторных дизелях отечественного производства, [9,10,11,12].

Из наиболее эффективных способов предпусковой тепловой подготовки дизельного двигателя является подача в систему охлаждения горячего теплоносителя. Данный способ эффективен не только скоростью подогрева цилиндров и попутно

системы смазки, но и равномерностью подогрева систем и механизмов тракторного дизеля [4,5].

Материалы и методы. Система предпусковой тепловой подготовки тракторного дизеля, предложенная нами, не требует существенных затрат. Данная система представляет собой аккумулятор фазового перехода, накапливающий тепловую энергию самого двигателя во время работы. Тепловой аккумулятор (ТА) длительно может сохранять, за счет фазового перехода, накопленную энергию при не функционировании техники и использовать её перед запуском дизеля [3,6]. На рисунке 2 представлена схема функционирования тепловой подготовки дизеля.

Перед пуском двигателя после стоянки система переходит в режим разрядки ТА (предпусковой подогрев).

Рисунок 2. Принципиальная схема системы тепловой подготовки дизельного двигателя: 1 - двигатель, 2- каналы системы охлаждения двигателя, 3 - электрический насос системы охлаждения; 4 - гидрораспределитель, 5 - тепловой аккумулятор.

При этом через ТА начинает циркулировать ОЖ в систему охлаждения до момента, пока температура на выходе из ТА и на выходе из дизеля не выровнятся [4].

Для исследования режима предпускового подогрева тракторного дизеля была разработана математическая модель процесса разрядки. Установка для экспериментальных исследований была собрана на базе двигателя Д-243.

Результаты исследования. Концептуальная модель режима предпускового подогрева тракторного дизеля приведена на рисунке 3.

Для разработки математической модели введены были допущения:

- в начале предпускового подогрева время т=0, вещество фазового перехода находится в состоянии жидкости и температура его по всему объему равна температуре фазового перехода Тф;

- удельные теплоемкости материалов, участвующих в процессе теплопередачи, коэффициент

переноса (коэффициент теплопроводности, теплоотдачи, теплопередачи) не зависят от температуры;

- потери теплоты в окружающую среду от ТА не учитываются;

- по средней температуре деталей Тдв(т), контактирующих с ОЖ оценивается тепловое состояние двигателя.

В момент включения автономного электронасоса 2 (рисунок 3) при температуре окружающей среды (Т0) ОЖ циркулирует по контуру: двигатель - тепловой аккумулятор, с параметрами Gж=const (массовая производительность автономного электронасоса, кг/с), Тж вх(т) (температура ОЖ на входе в ТА, К) и Тж вых(т) (температура ОЖ на выходе из ТА, К) = var. Часть теплоты ОЖ получает от ТА 4, через теплоаккумулирующее вещество 5 с параметрами Gж=const и Т ж вых (т)^аг и передает в двигатель 1. При этом ТА 4 разряжается, подогревая дизельный двигатель 1.

Рисунок 3. Концептуальная модель функционирования предпускового подогрева двигателя в режиме разрядки теплового аккумулятора: 1 - двигатель; 2 - насос; 3 - электронный блок управления; 4 - тепловой аккумулятор, 5 - теплоаккумулирующее вещество, 6 - соединительные шланги.

Средняя температура ОЖ в полости ТА Тж ср(т) при Т ж вх(т)^аг определяется по формуле:

Тж вх(^)+Тж вых №

Т (т) =

А ж ср V 1}

1 ж ср V ' 2

При т>0 тепловая мощность, отдаваемая ОЖ Ораз(т), Вт определяется по формуле:

ч

/• \ _ тв ^(Т) _

^раз = Рт ^ ^ ^

где А™-коэффициент теплопроводности вещества фазового перехода в твердой фазе, Вт/(мК);

7(т)-толщина слоя закристаллизовавшегося теплоаккумулирующего вещества в момент времени т;

р™-плотность теплоаккумулирующего вещества в твердой фазе, кг/м3.

У дизельных двигателей сложная форма рубашки охлаждения, из-за большого количества раз-

нообразных каналов. Из-за этого поток ОЖ распределяется по полостям рубашки охлаждения неравномерно. В этой связи модель процесса теплообмена целесообразно связать со средним коэффициентом теплоотдачи от ОЖ к стенкам рубашки охлаждения аро. Тогда справедливо при т>0 следующее уравнение:

Чраз (т) = Яро • ¿Ро • (Тж ср О) - Тдв (т)) (4) где Бро- поверхность теплообмена в рубашке охлаждения, м2;

аро- коэффициент теплоотдачи от ОЖ к рубашке охлаждения, Вт/(м2К);

Тдв- средняя температура двигателя, К. Учитывая, что подведенная теплота к дизельному двигателю идёт на изменение его внутренней энергии, то при т>0 тепловая мощность определяется следующим уравнением:

ЧразО) = Сдв • ^Дв^ + «дв • ¿Др •

где Сдв- теплоемкость металлоконструкций двигателя, контактирующих с ОЖ, Дж/К;

адв- средний коэффициент теплоотдачи от двигателя в окружающую среду, Вт/(м2К);

площадь внешней поверхности двигателя, которая охлаждается наружным воздухом, м2.

•

где Сж - массовая производительность автономного электронасоса, кг/с;

сж- теплоемкость ОЖ, Дж/(кгК). Совокупность уравнений (1...6) является математической моделью работы режима предпускового подогрева тракторного дизеля (процесс разрядки ТА).

Искомыми функциями являются ораз(т), z(т), ТДв(т), ТЖ вх(т), ТЖ вых(т) и 7Ст(т). Так как неизвестные функций равны числу уравнений, можно сказать, что данная система замкнута. Для ее решения необходимо установить начальные и граничные параметры, зависящие от условия исследуемого процесса. Для случая режима предпускового подогрева начальные и граничные условия можно сформировать следующим образом:

9раз(0) = 0

0 < z(т) < 5Т; z(0) = 0

ф

17ж вх(0) = 7Ж вых(0) = 7Дв(0) = 70 Алгебраическими преобразованиями совокупность уравнений (1...6) можно получить систему, которая состоит из двух дифференциальных урав-

нений:

В-О-Гдв

^г

^дв^ = -1Тдв

С целью упрощения уравнений 8 и 9 вводим некоторые константы (B, W, D, E, I, M, N, Z, У), которые влияют на параметры системы и могут быть рассчитаны по следующим уравнениям:

В =«ж-^ц-«зп-^ро;

где Бц- суммарная площадь боковых цилин-^ ^ 2 дрических поверхностей одной капсулы, м2;

Бро- поверхности теплопередачи в полостях рубашки охлаждения двигателя, м2;

аж- коэффициент теплоотдачи от ОЖ к стенкам капсул, Вт/(м2К);

Ош- коэффициент теплоотдачи от ОЖ к стенкам в полостях рубашки охлаждения двигателя, Вт/(м2К).

^ =

где А™- коэффициент теплопроводности теп-лоаккумулирующего вещества в твердой фазе, Вт/(мК).

где Тф- температура фазового перехода, К.

/ =

В = В  Л£В  /Ц; Я = Я  7ф;

г = ™  Сдв; у = в  Сдв.

где Сдв- общая теплоемкость металлоконструкций двигателя, контактирующих с ОЖ, Дж/К;

адв- средний коэффициент теплоотдачи от стенок двигателя в окружающую среду, Вт/(м2К);

/дв- площадь поверхности дизеля, охлаждаемая наружным воздухом, м2.

М = /  70;

где то- температуре окружающего воздуха.

N = рдв  г>  /Ц; (16) где рттв- плотность теплоаккумулирующего вещества в твердой фазе, кг/м3;

Гг- удельная теплота фазового перехода.

Разработанная математическая модель процесса разрядки ТА позволяет, при условии сведения её к однородной системе уравнений, производить качественное вычисление в зависимости от исходных данных (константы В, W, D, Е, I, М, N, Z, У), в частности, максимальное значение температуры и времени подогрева дизельного двигателя в процессе разрядки ТА.

Расчетные зависимости изменения температуры теплоаккумулирующего вещества и температуры двигателя от времени разрядки ТА приведены на рисунке 4.

Как видно изменение температуры двигателя в процессе разрядки ТА имеет нелинейный характер (рисунок 4).

Рисунок 4. График температуры теплоаккумулирующего материала и температуры двигателя в режиме разрядки теплового аккумулятора.

Для дальнейших исследований режима предпускового подогрева тракторного дизеля была разработана экспериментальная установка на базе двигателя Д-243.

На рисунке 5 показан график режима разрядки ТА до момента выравнивания температур. По графикам температур в ТА и на выходе из ТА (кривые

4, 5) прослеживается пологое снижение, показывающее отдачу энергии от теплоаккумулирующего вещества. Одновременно с этим наблюдается зеркальное увеличение температуры на входе в ТА и в термостате двигателя, свидетельствующее о передаче тепловой энергии.

Рисунок 5. Процесс предпускового подогрева тракторного дизеля Д-243. 1 - Температура на входе в тепловом аккумуляторе, 2 - температура в полости насоса системы охлаждения, 3 - температура в термостате, 4 - температура в тепловом аккумуляторе, 5 - температура на выходе из теплового аккумулятора.

Характер изменения температур на рисунках 4 и 5 показывает совпадение расчетных и экспериментальных данных в режиме разрядки (предпускового подогрева) ТА.

На рисунке 6 изображены зависимости температуры ОЖ от времени прогрева тракторного дизеля с ТА. Увеличение температуры в термостате происходит линейно по углу а (кривая 1), а после открытия на 16 минуте термостата, происходит

снижение температуры с последующим плавным ростом по углу а', в этот промежуток времени происходит зарядка ТА. Температура на входе в ТА (кривая 3) так же повышается после 16 минуты, в этот момент ТА начинает процесс накопления теплоты после того, как откроется термостат. Температура в ТА и на выходе из ТА (кривые 4 и 5) плавно повышаются, это свидетельствует о накоплении энергии теплоаккумулирующим веществом.

Рисунок 6. Зависимость температуры ОЖ от времени прогрева тракторного дизеля с ТА. 1 - температура в термостате, 2 - температура в полости насоса, 3 - температура на входе ТА, 4 - средняя температура в ТА, 5 - температура на выходе ТА.

Экспериментальными исследованиями была получена зависимость расхода топлива после режима разрядки ТА (рисунок 7). Снижение расхода топлива при использовании системы предпусковой

(3, грамм. 800 __

подготовки дизельного двигателя составил 166 г при сокращении времени прогрева дизеля до рабочей температуры на четыре минуты.

Выводы. Разработанная математическая модель функционирования ТА в процессе разрядки позволяет получить графики изменения температуры и времени подогрева тракторного дизеля в зависимости от температуры теплоаккумулирующего вещества.

Разработанная система предпусковой тепловой подготовки тракторного дизеля обеспечивает использование тепловой энергии самого двигателя без дополнительных затрат ресурсов. Исследование ТА в режиме предпускового подогрева тракторного дизеля позволили установить заметное сокращение длительности подготовки дизеля к нагрузке и снижение расхода топлива.

Так, в режиме разрядки происходит интенсивный нагрев стенок цилиндра дизельного двигателя, который отражается на сокращении времени прогрева двигателя на четыре минуты и сокращении расхода топлива на 166 грамм, что составляет 18 %.

Литература

1. Сураганов Г.И. Предпусковая подготовка двигателя зимой //Автомобильный транспорт. - №№3. - 1987. - с. 28-31.

2. Тракторные дизели: Справочник /Б.А. Взоров, А.В. Адамович, А.Г. Арабян и др.; Под общ.

ред. Б.А. Взорова. - М.: Машиностроение, 1981. -535 е.: ил.

3. Gabdrafikov F.Z., Galiakberov U.S., Gaisin E.M., Abrarov M.A., Gindullin V.M. Control system for pre-start heating of a diesel engine. Journal of Engineering and Applied Sciences, 2018. Т. 13. № S11. С. 8836-8842.

4. Габдрафиков Ф.З. Энергосберегающая система предпусковой тепловой подготовки двигателя [Текст]/ Ф.З. Габдрафиков, У.С. Галиакберов, В.М. Гиндуллин // Сельский механизатор. - 2017. -№5. - С.30-31.

5. Габдрафиков Ф.З. Энергоэффективная система предпусковой тепловой подготовки дизеля машинно-тракторного агрегата [Текст]/ Ф.З. Габ-драфиков, У.С. Галиакберов, В.М. Гиндуллин // Вестник НГИЭИ. - 2017. - №11(78). - С.82-91.

6. Устройство предпусковой тепловой подготовки двигателя внутреннего сгорания. [Текст]: пат. 2576603 Рос. Федерация: МПК 51 F01N 19/10, Габдрафиков Ф.З., Абраров М.А., Абраров И.А., Галиакберов У.С., заявка 10.12.2014; опубл. 10.01.2016.

7. Картошкин А.П. Технологические жидкости для автотракторной техники [Текст]: справочник: / А.П. Картошкин. - Москва: Академия, 2012.

- 236 с.

8. Вашуркин И.О. Обоснование параметров и методика конструирования системы утилизации тепла в приводе мобильной землеройной машины: Автореф/ Вашуркин И.О. / СПбИСИ. - СПб., 1993.

- 27 с.

9. Школьникова В.М Горючие, смазочные материалы: Энциклопедический толковый словарь-справочник. [Текст] // под ред. В.М Школьникова.

- ООО «Издательский центр «Техинформ», 2007 -736 с.

10. ГОСТ Р 54120-2010 «Двигатели автомобильные. Пусковые качества. Технические требования». - М.: ИПК «Издательство стандартов», 2010.8 с.

11. Гулин С.Д. Математическая модель процесса сохранения накопленной-теплоты двигателя внутреннего сгорания в тепловом аккумуляторе [Текст]/С.Д. Гулин, В.В. Шульгин, С.А. Яковлев // Известия высших учебных заведений. Строительство, - 1999; - № 1. - С. 123-126.

12. Николаев В.А. Определение количества тепла, необходимого для подогрева двигателя зимой // Автомобильный транспорт. — 1970. - № 7. -С. 29-30

13. Петриченко Р.М. Система жидкостного охлаждения быстроходных двигателей внутреннего сгорания. - Л.: Машиностроение. — 1985. — 224 с.

14. Семёнов Н.В. Эксплуатация автомобилей, в условиях низких температур. - М.: Транспорт. 1993. - 190 с.

15. Шульгин В.В. Теория и практика применения в автотранспортных средствах тепловых аккумуляторов фазового перехода: Автореф. докт. техн. наук / СПбГПУ. - СПб., 2004. - 35 с.

16. R. K. Rath, S.K. Acharya, P.P. Patnail. CI engine performance during cold weather condition using preheated air and engine by waste energy. International Journal of Ambient Energy Volume 38, 2017. Pages 534-540

17. Yuanwang Deng, Huawei Liu, Xiaohuan Zhao, Jiaqiang E, Jianmei Chen. Effects of cold start control strategy on cold start performance of the diesel engine based on a comprehensive preheat diesel engine model. Applied Energy, Volume 210, 15 January 2018, Pages 279-287

18. Nadir Yilmaz. Effects of intake air preheat and fuel blend ratio on a diesel engine operating on biodiesel-methanol blends. Fuel. Volume 94, April 2012, Pages 444-447.

19. R. Royo, M.A. Albertos-Arranz, J.A. Cárcel-Cubas, J. Payá. Thermographic study of the preheating plugs in diesel engines. Applied Thermal Engineering. Volume 37, May 2012, Pages 412-419.

20. Tianyuan Zhou, Changsheng Yao, Yaodong Hu, Fuyuan Yang, Jinli Wang, Minggao Ouyang. Research on Performance and Temperature Control of Glow Plugs for PPCI Low Load Assist. IFAC-PapersOnLine. Volume 49, Issue 11, 2016, Pages 223230.

MODELS OF PROCESS ENGINEERING OF THE HIGH-TECH COMPANY'S CALL-CENTER

Lysytsin B.

Kyiv National University of Construction and Architecture, PhD Student

ABSTRACT

The urgency of the scientific problem of process engineering of newly created divisions of a high-tech company is justified. Relevant literature sources on engineering and project management are analyzed. The Call-center is considered as an example of a newly created division of a high-tech company. Classification of processes subject to engineering is carried out. The parameters of the processes to be engineered are described. The scheme of process engineering is proposed. A model of process engineering has been developed, which includes determining the target value of process parameters. Prospects for further research in the chosen direction are described.

Keywords: project management, Call-center, process engineering, business processes, efficiency criterion.

Formulation of the problem.

In the modern information society, the trend that drives the economy and industry is the implementation of high technology. The greatest dynamics of development is observed in companies and organizations whose main activity is the development and implementation of such technologies - in high-tech companies. Such companies are usually innovative and quickly innovate, develop rapidly. They have, as noted in [1], progressive innovative thinking. The development of hightech companies takes place through the implementation of projects, programs and portfolios of development projects. One of the typical projects for the development of high-tech companies, which is associated with the implementation of marketing strategy, is the opening of new divisions, branches, Call centers. At the

same time, the project of creating a call center is extremely important, as such a center should provide a connection between a high-tech company and its external environment - customers and stakeholders. As a result, many business processes intersect in the Call Center. Therefore, the development (or engineering) of such processes is an important and urgent practical task. At the same time, the practical requirement for the competitiveness of high-tech companies is transformed into a requirement for the optimality of business processes of the Call-center, which, accordingly, is an urgent scientific task.

Analysis of recent research and publications.

Modern research on process engineering and reengineering emphasizes their important role in creating an effective and efficient management system of a modern