Уменьшение времени прогрева двигателя и отопления салона транспортного средства за счет использования теплоты отработавших газов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Уменьшение времени прогрева двигателя и отопления салона транспортного средства за счет использования теплоты отработавших газов

I

В.А. Раков, доцент Вологодского государственного университета, к.т.н., А.Ю. Сальников, аспирант Вологодского государственного университета

В статье дается оценка применения рекуператора теплоты отработавших газов для ускорения прогрева двигателя и отопления салона транспортного средства.

__Ключевые слова:

использование теплоты, теплообмен, математическая модель, температура охлаждающей жидкости, рекуператор.

современным транспортным средствам (ТС) предъявляются высокие требования по экономичности и комфорту. И то и другое сильно влияют на потребительские свойства, а значит заставляют автопроизводителей постоянно дорабатывать конструкцию и технологии изготовления.

Одними из главных параметров, отражающих комфорт транспортного средства, являются условия микроклимата в салоне. В первую очередь, обеспечение необходимого количества тепла при низких температурах и быстрый прогрев салона автомобиля. В то же время теплоты, производимой двигателем внутреннего сгорания (ДВС) после пуска, недостаточно для отопления салона, что связано с необходимостью длительного его прогрева. Последнее особенно актуально для транспортных средств, используемых для поездок на работу или

в качестве такси. Для примера: при пуске ДВС при температуре воздуха -15 °С достижение его рабочей температуры возможно лишь через 10 мин и только лишь во время движения, а с прогревом на холостом ходу требуется еще большее время. Это значит, что водителю придется ждать хотя бы для того, чтобы отогреть запотевшие стекла.

В некоторых случаях теплоты, вырабатываемой ДВС, и вовсе не хватает для отопления пассажирского салона, например, в автобусах.

Способы ускоренного прогрева ДВС и салона хорошо известны. Это дистанционный пуск от сигнализации, применение предпусковых подогревателей и электроподогревателей, термосов тепла. Массовое использование таких устройств ограничивается их недостатками - например, высокой стоимостью, увеличением расхода топлива, неудобством

использования и т.д. Кроме того, современные экологические требования к выбросам вредных веществ автомобильным транспортом предусматривают снижение расхода топлива за счет кратковременных отключений ДВС во время остановки, что дополнительно ставит задачу быстрого его прогрева и выхода на рабочий режим после очередного пуска.

Вместе с тем, еще на первых легковых автомобилях Fiat с воздушным охлаждением применялись отопители, использующие энергию отработавших газов (ОГ). В настоящее время некоторые производители (например, Toyota и Lexus) снова стали активно внедрять в систему охлаждения ДВС газожидкостные теплообменники, забирающие теплоту от ОГ. Конструктивно они представляют собой участок системы выпуска, в который устанавливается теплооб-менная секция и управляемая заслонка, перераспределяющая поток ОГ (рис. 1). При этом, когда в получении дополнительной теплоты нет необходимости, ОГ пропускают через прямой участок

системы выпуска, где они не встречают никакого сопротивления.

Конструктивные особенности современного двигателя с искровым зажиганием позволяют установить рекуператор теплоты ОГ сразу после каталитического нейтрализатора, но какова энергия отработавших газов после запуска холодного ДВС - сложно предсказать. Авторами экспериментальным путем установлена характеристика изменения температуры ОГ двигателя с каталитическим нейтрализатором, встроенным в коллектор системы выпуска [1]. На вышеупомянутом участке системы произведен замер температуры ОГ с интервалом 10 с сразу после пуска холодного ДВС. На графике (рис. 2) показано изменение температуры ОГ. За 8 мин работы на холостом ходу их температура на указанном участке увеличивалась до 380 °С, а максимальное зафиксированное ее значение - 415 °С. Любопытно, что температура охлаждающей жидкости за этот период времени достигала всего лишь 50 °С, то есть ДВС был далеко еще не полностью прогрет.

ДВС

Охлажд. жидкость

1

Л

i

-±

Отработавшие газы

Регулятор расхода ОГ

Панель приборов >

У

■ Заслонка

Рис. 1. Схема работы рекуператора теплоты ОГ НП «Национальная газомоторная ассоциация» (НГА)

Рис. 2. Изменение температуры отработавших газов за катализатором после запуска ДВС

На графике видно, что в течение первых 70 с рост температуры ОГ останавливается на уровне 50 °С, что вызвано активным поглощением теплоты элементами системы выпуска. В течение следующих 3 мин температура ОГ достаточно интенсивно поднялась до 300 °С и была уже более чем достаточна для использования в рекуператоре теплоты.

Но можно ли узнать, как это повлияет на характеристику изменения температуры ОГ без экспериментальных исследований? Оценка эффективности внедрения в систему охлаждения устройства утилизации теплоты на этапе проектирования сопряжена с задачами моделирования теплообменной системы. Ранее авторами уже была установлена тепловая мощность ОГ на исследуемом участке системы выпуска ОГ, а также определены характеристики рекуператоров [2].

Математическое моделирование изменения температуры охлаждающей жидкости на этапе прогрева ДВС представляет ряд трудностей. Это связано с тем, что ДВС состоит из множества деталей и навесных агрегатов, неодинаково поглощающих теплоту. На скорость прогрева оказывают влияние компоновка моторного отсека, конструктивные

особенности системы охлаждения и выпуска ОГ, а также индивидуальные настройки системы впрыска топлива ДВС. Еще более сложной задачей является моделирование работы системы с установленным рекуператором, так как он использует теплоту, отводимую в систему выпуска ДВС, а температура ОГ, в свою очередь, зависит от скорости прогрева охлаждающей жидкости [3].

Задача, поставленная авторами в исследовании, состоит в создании математической модели системы, позволяющей оценить влияние теплоты, поступающей от рекуператора на прогрев охлаждающей жидкости.

Для моделирования процесса теплообмена использована блочная модель, состоящая из трех основных блоков: системы охлаждения ДВС, устройства прогрева двигателя (УПД) и отопителя салона автомобиля. В качестве исходных данных использована модель, основанная на экспериментальных данных прогрева ДВС легкового автомобиля ВАЗ-2111 (рис. 3) [4].

Коэффициент детерминации тренда В2, характеризующий степень совпадения экспериментальной и теоретической кривых, равен 0,9997, что более чем

и °С 100 90 80

70 -60

50 -40 30 : 20 -10 0 -10 -20 --30

Эксперимента

льная кривая

Теоретич

еская кривая

Я = 0,9997

10

15

20

Т, с

г = 0.0068 Т3 -0.5101Т2 + 13.848Т -38.681

Рис. 3. Закономерность изменения температуры охлаждающей жидкости после запуска ДВС

достаточно для использования зависимости. Для описания закономерности прогрева ДВС в данных условиях использован полиномиальный закон.

Теплота, образующаяся от сгорания рабочей смеси в цилиндрах ДВС (рис. 4), частично расходуется на выполнение механической работы Q, отводится в

0ДВС

С и систему выпуска ОГ QCЗC . Наружные стенки системы охлаждения отдают теплоту в окружающую среду в результате лучистого и конвективного теплообмена через нагретые поверхности Q дВС. В системе охлаждения в процессе прогрева ДВС осуществляется прием теплоты от сгорания рабочей смеси в цилиндрах Q Свс и от УПД в процессе прогрева ДВС Q^ . До завершения прогрева большой контур системы охлаждения закрыт, и теплота в него и далее (в окружающую среду) не отводится, однако она может отводиться в отопитель салона О .

Рекуператор УПД подсоединен к системе охлаждения таким образом, чтобы не препятствовать циркуляции охлаждающей жидкости через теплообменник отопителя. Такая схема также позволяет водителю ТС выбирать, куда направлять дополнительно нагретую охлаждающую жидкость - в отопитель, когда его вентилятор включен, или в ДВС, когда вентилятор выключен [4-5].

В УПД на этапе прогрева ДВС происходит теплообмен, характеризующийся поступлением части теплоты из системы охлаждения Q^ и от ОГ Q^ , а также отводом теплоты в теплоноситель Q ^^ . При этом часть поступив -шей теплоты расходуется на гидромеханические и тепловые потери в УПД Q^ , либо не расходуется вовсе, а отводится дальше в систему выпуска ОГ Qoг . Авторы не исключают возможность работы отопителя сразу после пуска холодного ДВС для быстрого отогрева стекол ТС.

Подвод теплоты от сгорания топлива

ДВС

бог

ум

Система охлаждения ДВС

0°

кбв]

Отвод теплоты через поверхности двигателя

0

о™Д

еОГ

Отопитель

Теплота в салон

ОВД ^вых

УПД

т

бог

Отвод отработавших газов

УВД ¿¿пот

Гидродинамические потери и потери теплоты

Рис. 4. Схема системы охлаждения с устройством прогрева ДВС

Уш

Сочима"'''

В теплообменник отопителя салона поступает некоторое количество теплоты Q вх от двигателя и УПД. Часть ее расходуется на нагрев воздуха, поступающего в салон Qoт, а часть отводится обратно в ДВС QВВ1Х . Интенсивность теплообмена в отопителе зависит от нескольких факторов, наиболее значимыми из которых являются температура теплоносителя, температура окружающего воздуха и скорость его прохода через теплообменник отопителя.

Все рассматриваемые блоки связаны единым циркуляционным контуром. Выходным параметром является время достижения необходимой температуры теплоносителя в отопителе салона автомобиля, а целевой функцией - минимальное время прогрева:

* С/1-Л) ^ мин-

Соотношение между изменениями температуры теплоносителей будет выглядеть следующим образом:

К 1 (7 вых - Г1вх) -М'2 ср2 (Г2вых - Г1вх) = О , (1)

где М', М'2 - массовый расход газового и жидкого теплоносителей, кг/с; ср1, ср2 -средние удельные теплоемкости теплоносителей при постоянном давлении в указан-

температура газа и жидкости температура газа и жидкости

ных диапазонах температур, Дж/(кг-К); ТЫых, Г2вых на выходе из теплообменника, К (°С); Твх, Т2вх -на входе в теплообменник, К (°С). В упрощенной форме

С1 А Т1 - С2 А Т2 = 0, или $ - $ = 0 , (2)

где С1,С2 - произведение удельных теплоемкостей на массовые расходы; -

энергия тепловых потоков, Вт.

Учитывая тот факт, что теплообменник не является идеальным устройством, некоторая часть теплоты будет потрачена на внутренние гидродинамические потери и излучение в атмосферу через наружные стенки и подводящие трубки.

/ в'-в2 - вп = 0 , (3)

где бп - потери теплоты.

Интегрируя тепловые потоки энергии по времени, получим

! (в; - & - вп) ж=| ©Гид - в^ - вп) ж=о . (4)

Откуда

буцд = буцд - бп . (5)

Такое уравнение справедливо лишь для стационарного теплообменника с установившейся температурой теплоносителя и материалов, соприкасающихся с ним. В процессе нагрева тепловая энергия теплоносителя будет израсходована, в том числе и на нагрев стенок теплообменника. Рассмотрим процесс нагрева ДВС.

Температура холодного ДВС равна Т0. Энергия Qпри этом равна нулю. После пуска каждый момент времени в систему охлаждения поступает некоторое количество теплоты QCi, которое зависит от количества сгораемого топлива

и равняется

г.

г

I 2 Л = ЯчР ни Пдвс 1/3600 = 3 • 0,7 • 43500 • 0,3-1/3600 = 7,6 кВт, 'г -1

где qч - часовой расход топлива на холостом ходу после запуска ДВС, л/ч; р - плотность бензина марки Аи-95; Ни - удельная теплота сгорания, кДж/кг; ПдВС - коэффициент, показывающий относительную величину отводимой в систему выпуска энергии [1].

Поступившая в систему охлаждения ДВС теплота будет равна

е.

две

\ (бн,,1 + е - бы -, (6)

где QniЛ - начальная теплота, или энергия в предыдущий момент времени; Qci - теплота, поступившая от сгорания топлива; Qoi - теплота, отведенная в атмосферу (она в данном случае неизвестна); Qoтj - теплота, отданная отопи-

^отг

телю салона.

Экспериментально-теоретические исследования по установлению эффективности применения теплообменника позволяют априорно оценить (смоделировать) процесс работы всей системы после пуска холодного ДВС. При моделировании процессов прогрева использованы существующие методики моделирования и математического анализа теплообменных систем [6-8].

Количество теплоты, отводимой в систему охлаждения

Исходя из существующей теории [9], не менее 28 % теплоты сгорания топли-вовоздушной смеси в цилиндрах прогретого до рабочей температуры ДВС отводится в систему охлаждения. В вычислении это величина авторами принята условно постоянной. Таким образом, количество теплоты, отводимой в систему

охлаждения ДВС, зависит от количества сгораемого топлива. Теплоемкость сгорания бензина Аи-95 Ни=46000 кДж/кг. Плотность бензина составляет 0,75 г/см3. При низкой температуре охлаждающей жидкости количество сгораемого топлива больше. При этом количество энергии, отводимой в систему охлаждения, уменьшается и стабилизируется после достижения рабочей температуры. Результаты полученной зависимости показаны на рис. 5.

Мощность отопителя салона автомобиля и количество отводимой им теплоты

Мощность отопителя салона легкового автомобиля, в первую очередь, зависит от температуры охлаждающей жидкости и скорости воздушного потока, создаваемого вентилятором. При полностью прогретом ДВС и максимальной скорости вентилятора тепловая мощность отопи-теля составляет около 2,5 кВт (примерно такое же количество теплоты отводится в систему охлаждения на холостом ходу). Наиболее интересным является сравнение времени прогрева ДВС при работе отопителя на различных режимах. Для этого авторами введен удельный показатель количества теплоты, необходимой

1-1

Рис. 5. Зависимость изменения отводимой в систему охлаждения теплоты от времени

42

ь, °С

Рис. 6. Интенсивность повышения температуры охлаждающей жидкости при относительной мощности отопителя: 1 - 0 %; 2 - 20 %; 3 - 40 %; 4 - 60 %; 5 - 80 %; 6 - 100 %

для повышения температуры охлаждающей жидкости на 1 °С до начала открытия термостата.

Результаты вычислений характеристики прогрева ДВС на разных режимах работы отопителя (рис. 6) показывают, что при увеличении интенсивности работы отопителя до 100 % ДВС не прогревается выше 55 °С, а максимальная теплота в салоне при этом составит не более 1 кВт, что говорит о неэффективности работы отопителя.

При выключенном отопителе охлаждающая жидкость ДВС прогревается до рабочей температуры (93 °С) на 21-й минуте. Если включить отопитель на 0,5 кВт, температура на 21-й минуте достигнет 78 °С. С включением на полную мощность охлаждающая жидкость к указанному времени прогреется лишь до 55,5 °С, при этом в салон будет поступать лишь 1,4 кВт тепловой мощности. Далее температура повышаться не будет.

Мощность устройства ускоренного прогрева ДВС

Мощность УПД зависит от температуры ОГ. Из предыдущих исследований

[4-5] известно, что после пуска холодного ДВС теплота ОГ расходуется большей частью на разогрев катализатора и других деталей выпускной системы. Как показали испытания ранее сконструированных авторами рекуператоров, коэффициент преобразования теплоты может достигать 50 % (причем отдача энергии начинается только после первой минуты работы ДВС). Исходя из этого вычислено количество энергии, извлеченной из ОГ для разогрева охлаждающей жидкости. С использованием того же удельного показателя количества теплоты, необходимой для разогрева охлаждающей жидкости на 1 °С, авторами найдена закономерность прогрева двигателя с УПД и с включенным на разных режимах отопителем.

На схеме (рис. 7) отражены результаты вычисленного прогрева ДВС.

Результаты теоретических исследований показывают, что применение устройства ускоренного прогрева ДВС позволяет сократить время прогрева до рабочей температуры с 22 до 10 мин (при температуре окружающей среды -27 °С), а при включенном отопителе -

t, °С 100

80

60

40

20

-20

-40

3 ^

■-------- ---- - ' „ -А *м К —+л *-\-

У/ // * \ . . -А "

А л ' * 1

- Ж #' /А. л* * ' - 1 1 /.'* ** . м * 2 1

0

Рис. 7. Интенсивность повышения температуры охлаждающей жидкости:

1 - без УПД с выключенным отопителем; 2 - без УПД и с отопителем, работающим на максимальной мощности; 3 - с включенным УПД и отопителем, работающим на максимальной мощности; 4 - с включенным УПД и выключенным отопителем

дополнительно получать 2,5 кВт теплоты уже на 12-й минуте прогрева. В то же время без использования УПД ДВС не сможет обеспечить получение такого количества энергии до 22-й минуты.

Таким образом, применение устройства ускоренного прогрева двигателя позволяет значительно сократить время его прогрева и укорить прогрев салона ТС.

_ Литература

1. Патент РФ, № 120923, МПК B60H1/18. Экономайзер тепла выпускных газов двигателей внутреннего сгорания / В.А. Раков; заявитель и патентообладатель В.А. Раков. -№ 2012117682/11(026664); заявл. 24.04.2012.

2. Раков В.А. Моделирование процессов теплообмена в системах охлаждения ДВС с устройством подогрева (статья) / В.А. Раков / Сб. науч. трудов SWorld. - Вып. 2. - Т. 4. -Одесса: КУПРИЕНКО, 2013. - С. 84-89.

3. Раков В.А. Исследование теплопроводных процессов в пластинчатых газожидкостных теплообменниках (статья) / В.А. Раков / Энергоэффективные технологии в современном учреждении: материалы Международного энергетического форума. - Вологда: ВоГТУ 2013. - С. 100-103.

4. Rakov^.A. Using exhaust heat to speed up the engine warm vehicle / V.A. Rakov / Scientific enquiry in the contemporary world: Theoretical basics and innovative approach. L&L Publishing Ti-tusville, FL, USA. - 2012. - С 86-87.

5. Раков В.А. Совершенствование энергосберегающего устройства ускоренного прогрева двигателя транспортных средств / В.А. Раков / Молодые исследователи -регионам: Материалы всероссийской научной конференции студентов и аспирантов, в 2-х т. -Вологда: ВоГТУ 2012. - Т. 1. - 453 c.

6. Справочник по теплообменникам: пер. с англ. [в 2-х т.] Т.1 / под ред. Б.С. Петухова, В.К. Шикова. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 560 с., Т. 1.

7. Круглов Г.А. Булгакова Р.И., Круглова Е.С. Теплотехника: Учеб. пособие. - СПб.: Лань, 2010. - 208 с.

8. Мигай В.К. Моделирование теплообменного энергетического оборудования. - Л.: Энер-гоатомиздат, 1987. - 264 с.

9. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей / Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. - М.: Машиностроение, 1983. - 372 с.