А.Ю. Сальников (аспирант)

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ УСКОРЕНИЯ ПРОГРЕВА

ДВИГАТЕЛЯ АВТОМОБИЛЕЙ ПУТЕМ ЧАСТИЧНОГО

ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛА ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ

г. Вологда

Вологодский государственный технический университет

По мнению большинства автомобилистов, главными требованиями предъявляемыми к автомобилю является надёжная работа в любых дорожных условиях и комфорт. К последнему обычно относят благоприятный климат в салоне в летний и зимний период года, причём для жителей северных регионов наиболее важным является прогрев салона, быстрое оттаивание стёкол, на это может уходить от 5 до 10 минут драгоценного времени, по этому, пользуются популярностью системы автозапуска двигателя и предпусковые подогреватели. И это вполне понятно: легкий пуск двигателя при низких температурах, экономия топлива при прогреве, повышение комфортабельности. Повышается безопасность движения, т.к. нагретое ветровое стекло не запотевает. Экономится время, что важно для делового человека. Водитель реже простужается - можно сэкономить еще и на лекарствах.

Но, всё же, у предлагаемых устройств есть и недостатки: значительная стоимость (предпусковых подогревателей более 30 тыс. руб.), увеличение расхода топлива, при ежедневном использовании до 25%.

Таким образом, устройство прогрева должно быть дешёвым и не расходовать лишнее топливо.

Считаем, что инженеры не используют существующие возможности двигателей внутреннего сгорания (ДВС). КПД двигателя не превышает 35% остальная часть отводится в виде тепла через стенки цилиндра и выпускную систему. Согласно существующим данным [1] не менее 30% в дизельных двигателей и 40% бензиновых энергии сгорания топлива отводится в выпускную систему в виде тепла вместе с продуктами сгорания топлива, причём значительная часть уже сразу после запуска двигателя, что можно использовать для прогрева двигателя и салона автомобиля.

При среднем часовом расходе топлива (9-10 л/100км) количество тепловой энергии, отводимой в выпускную систему составит:

, кДж/ч

где Q – часовой расход топлива, л/ч;

ρ – плотность бензина марки Аи-95;

Н_U – удельная теплота сгорания, кДж/кг.

Тепловая мощность выпускных газов составит:

Исходя из расчёта следует, что в выпускную систему отводится до 7,6 кВт тепловой мощности, конечно с условием, что детали двигателя и выпускной системы уже прогреты. Теплообменник (экономайзер) выпускных газов может забирать часть тепловой энергии и передавать её теплоносителю (охлаждающей жидкости системы охлаждения двигателя). [1]

Конструктивные особенности позволяют установить теплообменник, на большинстве автомобилей - это свободный участок между каталитическим нейтрализатором (КН) и дополнительным глушителем. Температура выпускных газов здесь может достигать нескольких сотен градусов, опасения вызывает КН, поглощающий тепло впервые минуты запуска двигателя.

Для определения изменения температуры выпускных газов после запуска холодного ДВС проведено исследование. В вышеупомянутый участок выпускной системы легкового автомобиля установлен датчик температуры (рис. 1), произведён замер температуры выпускных газов во время прогрева двигателя с интервалом 10 секунд, до момента повышения температуры охлаждающей жидкости выше 50º С.

Элементы выпускной системы с установленным датчиком

Показания прибора

Рис.1 Замер температуры выпускных газов на участке перед дополнительным глушителем

На графике (рис. 2) показано изменение температуры после запуска холодного двигателя при температуре окружающего воздуха +6ºС.

Рис. 2. Изменение температуры выпускных газов после запуска двигателя

Как видно из графика в течение первых 70 сек. температура не превышает 50 ºС, что может быть вызвано поглощением тепла элементами двигателя и выпускной системы. В течение следующих 3 мин. температура газов достаточно интенсивно поднималась до 300 ºС.

Тепловая энергия выпускных газов, изменяется от 0 до 7,6кВт (см .выше), но эффективность поглощения тепла выпускных газов достаточно трудно предсказать.

При реализации подобных устройств особое внимание должно быть уделено безопасной работе. Поток выпускных газов должен нагревать охлаждающую жидкость только при прогреве двигателя, а в дальнейшем перенаправляться по обходному сечению. Решение этой проблемы требует дополнительных исследований, проведения конструкторских работ и испытаний на надёжность. [2].

Разработан теплообменник типа «Труба в трубе», в котором тепло передается от горячего газа к холодной жидкости. Основные элементы теплообменника (Рис. 3), корпус теплообменника из нержавеющей стали Ст 08Х18Н10 и медная трубка, по которой протекает охлаждающая жидкость.

Рис. 3. Опытный образец теплообменника

В лабораторных условиях был проведен эксперимент имитирующий работу устройства на автомобиле. Поток горячих отработавших газов имитирован с помощью промышленного фена (рис. 5) настроенного на температуру 415 ⁰С. К теплообменнику были подсоединены резиновые патрубки через которые циркуляционный насос производил циркуляцию жидкости с ёмкостью в котором находилась вода. В ёмкости с водой находился датчик температуры измеряющий изменение температуры жидкости в процессе эксперимента. [3]

Опытный образец для проведения эксперимента изображен на рис. 4

Рис. 4 Эксперимент по работе теплообменника

Рис. 5 Промышленный фен

Данные для эксперимента:

V_воды=2,5 л;

Т_{на входе}=250⁰С;

Т_{на выходе}=120⁰С;

Т_{окр. среды}=5⁰С.

Таблица 1

Время прогрева жидкости при Т=250⁰С

Температура жидкости	Время прогрева
10^0С	2:10 мин
15^0С	4:25 мин
20^0С	7:00 мин
25^0С	9:20 мин
30^0С	11:40 мин
34^0С	15:00 мин

Рис. 6 График зависимости температуры прогрева от времени прогрева

V_воды=2,5 л;

Т_{на входе}=415⁰С;

Т_{на выходе}=200⁰С;

Т_{окр. среды}=5⁰С.

Начало измерения с температуры жидкости 31⁰С.

Таблица 2

Время прогрева жидкости при Т=415⁰С

Температура жидкости	Время прогрева
35^0С	1:05 мин
40^0С	3:06 мин
45^0С	6:25 мин

Рис. 7 График изменения температуры жидкости от 31⁰С

В ходе эксперимента полученные результаты отличаются от теоретических расчетов, это вызвано потерями тепла так как система была не герметична, потери 10⁰С за 11 мин, это сильно повлияло на конечный результат. Так же мы не получали тепла от работающего двигателя. Результаты эксперимента позволяют сделать вывод о возможном применении устройства для ускоренного прогрева ДВС транспортных средств.

В дальнейшем эксперименты планируется проводить на настоящем автомобиле.

Литература

1. Топливная экономичность автомобилей с бензиновым двигателями /Т.У.Асмус, К.Боргнакке, С.К.Кларк и др.; Пер. ред. Д.Хилларда, Дж.С.Спрингера; Под с англ. А.М.Васильева; Под ред. А.В.Кострова. - М.: Машиностроение, 1988. - 504 с.: ил.

2. Теплотехника: Учеб. для вузов / Под ред. А. П. Баскакова. – 2-е изд., перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 224 с.

3. Автомобильный справочник: Пер. с англ. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: ЗАО «КЖИ «За рулем», 2004. 992с.