У вступі обґрунтована актуальність роботи, сформульована мета й завдання дослідження, викладені наукова новизна, практичне значення одержаних результатів, зазначений особистий внесок здобувача, наведені дані про апробацію результатів дисертаційної роботи та публікації за темою дослідження.
У першому розділі проведено аналіз існуючих систем охолодження дизельних двигунів магістральних тепловозів. З’ясовано, що всі вони є двоконтурними, повнопотоковими (витрата води через водяний насос системи охолодження двигуна і всі теплообмінники є однаковою), ефективно охолоджують воду зарубашкового простору, масла двигуна, а також забезпечують регулювання температур теплоносіїв залежно від режиму роботи і параметрів навколишнього середовища. В той же час всі вони мають низьку ефективність з охолодження наддувного повітря, температура якого не знижується до бажаної межі.
Прийнятий у теорії ДВЗ параметр, що вдало характеризує ефективність систем з охолодження наддувного повітря, визначається як
, (1)
де Тк, Ts – значення температури повітря до і після охолоджувача наддувного повітря; To – температура навколишнього повітря.
Охолодження наддувного повітря на номінальному режимі у всіх випадках не забезпечує значення ηо більше 0,72...0,75 і не досягає меж, які можуть бути реалізовані в рекуперативних системах охолодження. Можливість підвищення зазначеної межі ηо, навіть теоретична, для існуючих систем охолодження відсутня.
Подальше підвищення ηо пов’язане із застосуванням високоефективних схем систем охолодження, в яких реалізований принцип маловитратності. Системи такого типу отримали назву «slow flow systems» (пер. з англ. – повільнопоточні (маловитратні) системи). Забезпечення низької температури наддувного повітря в таких схемах досягається за рахунок прокачування через послідовно з’єднані теплорозсіювач (наприклад, радіатор) і теплоджерело (наприклад, охолоджувач наддувного повітря) не всієї витрати води, яку забезпечує насос у системі, а лише малої її частини (приблизно 10 %). При цьому забезпечується максимально можливе зниження температури води перед охолоджувачем наддувного повітря. Це не заважає підтримувати необхідно високу температуру води перед двигуном за рахунок того, що частина води в системі зовсім не охолоджується, проходячи повз радіатори, а далі потоки води з різною температурою змішуються перед двигуном. Принцип маловитратності в таких системах охолодження використовується не тільки в гілках циркуляції, де охолоджується наддувне повітря, але і там, де охолоджується масло. За рахунок застосування інших принципових схем у маловитратних системах забезпечується більш високий, ніж у повнопотокових системах, тепловий потік у навколишнє середовище при рівній сумі мас теплообмінних поверхонь теплообмінників. Маловитратні системи дозволяють знизити температури повітря в ресивері до 46...50 оС при роботі двигуна на режимі номінальної потужності і при температурі навколишнього повітря 40 оС, а також забезпечити максимально допустимі температури води і масла перед двигуном. Забезпечення таких температур наддувного повітря в ресивері при зазначених умовах істотно поліпшує ряд показників двигуна, в тому числі сприяє дотриманню сучасних норм викидів шкідливих речовин з відхідними газами.
У другому розділі розроблена технологічна карта наукового дослідження, що дозволяє логічно пов’язати запит практики, головну та допоміжні задачі дослідження, основні наукові результати, практичну цінність та впровадження результатів роботи. Засобами реалізації наукового дослідження стали теоретичні та експериментальні методи дослідження, такі як: метод зіставлення і науково-технічного прогнозування, метод прямої аналогії, метод фізичного моделювання, метод математичного моделювання. Розгляд теоретичних і експериментальних методів дослідження дозволив визначити необхідний набір засобів математичного моделювання, а також виділити критерії, що визначають методику проведення експериментальних робіт.
У третьому розділірозроблені способи створення і порівняння маловитратних систем охолодження дизельних двигунів магістральних тепловозів.
Створення маловитратних систем охолодження для дизельних двигунів магістральних тепловозів повинно базуватися на вказаних нижче положеннях.
1.У системі охолодження неможливо змінювати витрату теплоносія внутрішнього контуру через двигун на номінальному режимі навантаження згідно з технічними умовами на його експлуатацію. Відповідно, можна зберегти обумовлені вимоги до його роботи перепуском частини гарячої води після двигуна безпосередньо на вхід у двигун. Це дозволяє зменшити витрати теплоносія внутрішнього контуру через радіатори та теплообмінники, зберігаючи незмінною витрату через двигун. Таким чином, наявність у маловитратній системі охолодження перепуску є найбільш загальним рішенням, а його відсутність – окремим випадком, коли сума оптимальних витрат теплоносія внутрішнього контуру через утворені гілки циркуляції дорівнює витраті теплоносія внутрішнього контуру через двигун.
2.Всі теплообмінники маловитратних систем повинні встановлюватися в гілки циркуляції, які складаються з послідовно сполучених теплорозсіювачів і теплоджерел.
3.Витрати теплоносія внутрішнього контуру через вказані гілки циркуляції повинні мати незалежне регулювання.
4.Всі теплообмінники виконуються з підвищеним числом ходів по теплоносію внутрішнього контуру (порівняно з конструкціями для повнопотокових систем), щоб запобігти надмірному зниженню його швидкості.
5.Максимальні швидкості теплоносія внутрішнього контуру в теплообмінниках зазвичай мають бути знижені приблизно до 0,6...1 м/с, щоб останні не мали підвищеного гідравлічного опору, пов’язаного зі збільшенням числа ходів по теплоносію внутрішнього контуру.
Запропонований спосіб створення маловитратних схем не виключає, що для будь-якого двигуна можливо розробити низку таких схем із ймовірно високими параметрами. Одночасно встановлено, що такі схеми звичайно мають різну ефективність. Для вибору найбільш ефективних схем необхідно провести їх порівняння при спеціально вирівняних умовах. Відсутність спеціального способу при порівнянні зазвичай призводить до неоднозначних результатів, у тому числі і до думки, що всі подібні схеми практично рівноефективні. В дисертації такий спосіб реалізовано на підставі використання так званих характеристик систем. На рис. 1 показані характеристики схем чотирьох систем охолодження, створених для двигуна типу 16ЧН 26/26 потужністю 2950 кВт. Ці системи обрані з шістнадцяти подібних після відсіювання явно неперспективних.
Характеристики систем являють собою залежності суми мас теплообмінних поверхонь усіх теплообмінників системи від температур повітря за охолоджувачем наддувного повітря ts. Вони будуються при постійній потужності двигуна, при постійних параметрах навколишнього середовища і при забезпеченні рівних фіксованих температур води і масла за двигуном. При розрахунках кожної точки кривих враховується зміна витрати повітря і тиску наддуву, а також зміна теплових потоків, що відводяться у воду і масло, в залежності від зміни температури повітря за охолоджувачем наддувного повітря і температур масла і води за двигуном. Різні температури за охолоджувачем наддувного повітря в цих системах отримані в результаті пошуку найменш можливої температури за охолоджувачем наддувного повітря для кожної конкретної маси такої системи. Це виконується за рахунок зміни витрат теплоносія внутрішнього контуру по гілках системи в можливих межах, зміни конструкції теплообмінників і зміни комплектації радіаторних блоків.
