ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛИ С ЭФФЕКТОМ САМОРЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРА-ТУРЫ ТОПЛИВНОЙ СИСТЕМЫ В ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

Полный текст

Введение

Большая часть автотракторной техники эксплуатируется с применением дизельных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) [1]. Для дизельных ДВС характерен  контакт с окружающей средой [2], что проявляется в прямой зависимости рабочих  параметров ДВС (вязкость масла, температура масляного фильтра, температура топлива и т.д.)  от температуры воздуха из впускного коллектора. Дизельные ДВС характеризуются повышенным выбросом токсичных газов,  в особенности NO_x [3]. Следует отметить, что дизельный ДВС на холостом ходу полностью прогревается при оборотах, приблизительно 650-850 об/мин, а при низких температурах, обороты находятся в диапазоне 850-1500 об/мин [4]. Высокое значение оборотов дизельного ДВС означает, что за этот период из впускного коллектора попадет большое количество холодного воздуха. Выбросы выхлопных газов и расход топлива резко возрастают при холодном запуске двигателя, но уменьшаются при прогреве ДВС [1].

Вопросам предпусковой подготовки ДВС автотранспортной техники уделяется большое внимание и существуют различные технические решения, которые могут быть как автономными, так и стационарными [4]. Существуют такие аспекты предпусковой подготовки ДВС как энергетические и экономические, связанные с возможностью использования того или иного метода или технического решения.

 В целях экономии энергии на запуск дизельного ДВС может использоваться система рекуперации отходящего тепла, составляющая  около 75% энергии, вырабатываемая ДВС, частично теряемая с выхлопными газами и антифризом. Известна технология хранения подогретого антифриза в термосах для быстрого подогрева ДВС [5], учитывающая особенности системы пуска ДВС в условиях отрицательных температур [6]. Устройство термоса включает в себя: теплообменник, который выполнен из ребристых пластин  и парафин –материал с фазовым переходом (МФП), заполняющий свободное пространство. МФП используется для хранения тепловой энергии, поступающей  от ДВС в виде тепловых потерь необходимых для последующего использования в условиях холодного запуска. Благодаря нагреву менее чем за 1 минуту, температура холодного всасываемого воздуха для ДВС может изменяться от 0 до 30 °С. Быстрый нагрев основных узлов, позволяет преодолеть трудности холодного запуска для ДВС, особенно в  условиях с повышенным наледеобразованием, и  осуществить подачу предварительно нагретого воздуха в ДВС в течение 1 мин.

Одним из эффективных технических решений, направленного на улучшение запуска ДВС является электрический нагрев [7], который осуществляется от  аккумуляторной батареи  (АКБ) автотранспортной техники через систему управления. Электрические нагреватели различного типа, можно устанавливать как на отдельные узлы ДВС, например, топливный фильтр, так использовать их в качестве переносного (портативного) устройства. Наиболее рациональным вариантом является электронагреватель на полимерной основе  [8], который по сравнению  с керамическим [9] способен выдерживать различные виды вибраций и механические нагрузки, а также обладает гибкостью, что обеспечит плотное прилегание к нагреваемой поверхности. Существуют различные типы полимерных матриц для изготовления нагревателей, однако наиболее эффективным и гибким решением является кремнийорганический компаунд [10, 11] – для которого характерна высокая механическая прочность и стабильная работа в условиях низких температур.

Целью статьи является разработка электронагревательного полимерного композита (ЭНПК) с эффектом саморегулирования температуры для дизельных двигателей. В соответствии с целью исследований были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработка метода получения электронагревательного полимерного композита (ЭНПК) с эффектом саморегулирования температуры.
2. Проведение тестовых испытаний ЭНПК на фильтре  для топливной системы дизельного ДВС.
3. Оптимизация параметров ЭНПК в зависимости от режимов работы ДВС с использованием микроконтроллерной системы управления.

Методы и материалы

Методика получения полимерного композита или ЭНПК

Полимерный композит получали путём добавления металлизированных МУНТ (СВЧ-синтез при воздействие электромагнитного излучения сверхвысокой частоты на смесь ферроцена и графита (1:1)) в жидкий кремнийорганический компаунд (Силагерм 8030), последовательно, сначала в компонент А, а затем Б (отвердитель на основе платинового катализатора) соответственно. Компаунд тщательно перемащивали на установке WiseStir HT 120DX (Корея) при 300 об/мин (5 мин).

Полимерный композитный материал добавлялся в специальную формовочную емкость до образования окончательно сформированных нагревательных элементов в виде плоских гибких пластин в соответствии с [12-14]. После чего, полученный композит помещался в вакуумный термошкаф для удаления летучих компонентов, содержащихся в полимерной матрице. 

Электропитание ЭНПК осуществлялось  с помощью программируемого источника питания Актаком 1351 (Актаком, Россия) в режиме пульсирующего потенциала от 0 до 24 В. Исследование температурного поля производилось с помощью тепловизора «Тесто-875-1» с  оптической линзой 32 × 23° (SE & Co. KGaA, Testo, Ленцкирх, Германия). Общий вид и принципиальная схема подключения ЭНПК представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Принципиальная схема   ЭНПК  а: 1 –диэлектрическая оболочка; 2 – токосъемник; 3 – функциональный материал нагревателя; 4 – токоподводящие проводники; б – общий вид плоских нагревателей.

Fig. 1. Principle scheme of ENPC a: 1 - dielectric shell; 2 - current collector; 3 - heater functional material; 4 - current conducting conductors; b - general view of flat heaters.

Методика исследования структуры МУНТ

Морфологию поверхности МУНТ исследовали на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) «TESCAN LYRA 3» (TESCAN, Чехия) при 5 кВ. Для измерения спектров комбинационного рассеяния света использовали спектрометра на базе конфокального микроскопа (“Spectra”, NT-MDT SI). Объектив 100× с         NA = 0,7, полупроводниковый лазер (λ = 532 нм, мощность возбуждения около 50 МВт).

На рисунке 2 показана сканирующая электронная микроскопия МУНТ с металлизацией поверхности и спектр комбинационного рассеяния.

Рис. 2. а: Сканирующая электронная микроскопия МУНТ с металлизацией;   б – спектр комбинационного рассеяния МУНТ

Fig. 2. a: Scanning electron microscopy of metallised MWCNTs; b - com-bination scattering spectrum of MWCNTs

МУНТ представляют собой пучки углеродных нанотрубок, которые между собой имеют переплетения и при этом по КР спектрам следует отношение пиков D/G характерные для многослойных углеродных нанотрубок.

Методика подключения ЭНПК к системе электропитания ДВС ЯМЗ 238

Полученные  ЭНПК  подключали параллельно, объединяя их в секции с образованием теплового контакта между композитом и топливным фильтром (за счет гибкости нагревателя – формировался плотный тепловой контакт). Для ограничения скачков  тока в отдельных секциях (рисунок 3), каждая из них последовательно соединялась с полимерным предохранителем.

1 – топливный фильтр; 2 – ЭНПК; 3 – фильтрующий элемент;  4 –элемент для устранения высоких токов.

Рис. 3. а) расположение ЭНПК в топливном фильтре (ФТО);

б)  схема включения ЭНПК

Fig. 3. a) location of ENPC in the fuel filter (FTO);

1. b) circuit diagram of EFPC switching on

Результаты и обсуждение

Система управления ЭНПК, представленная на рисунке 4, позволяет  стабилизировать температуру топлива и  мощность нагревательного элемента в процессе нагрева, а также изменять число греющих секций в зависимости от режима топливоподачи. При этом система имеет как прямую, так и обратную связи между отдельными блоками.

Рис. 4. Система управления ЭНПК

Fig. 4. ENPK management system

ЭНПК имеют непосредственное регулирование через систему управления, которая реализуется с помощью программируемого микроконтроллера. Сигнал от первичного измерителя температуры (рисунок 4) поступает на систему управления и преобразуется в АЦП (аналого-цифровой преобразователь), который в свою очередь определяет значение питающего тока ЭНПК за счет изменения числа включённых секций нагревателей через ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь). Температура ЭНПК постоянная (в установившемся режиме) и зависит от значения питающего напряжения, в тоже время потребляемый ток зависит от температуры топливного фильтра и топлива и характеризуется нелинейной зависимостью. В результате обеспечивается адаптированный подогрев топливной системы или так называемый эффект саморегулирования температуры.

На рисунке 5 показана динамика прогрева ЭНПК в течение 5 мин. При этом, представленные характеристики имеют нелинейный характер нагрева. Режим электропитания соответствует напряжению 12 В, что приближено к режиму электропитания АКБ.

Рис. 5. Термограммы картера с моторным маслом и топливным фильтром

Fig. 5. Crankcase thermograms with engine oil and fuel filter

 Согласно рисунку 5а –  температура ЭНПК выходит на плато, после приблизительно 250 с, т.е. происходит температурная самостабилизация (рис 5а), которая следует из уменьшения тока до рабочего значения (рис 5б). Это  указывает, на то, что процессы, происходящие в ЭНПК, характеризуются взаимосвязью тепловых и электрических явлений. В основе процесса электронагрева композитного материала при протекании электрического тока лежит поляризация полимерной матрицы  и туннелирование элементарного заряда в МУНТ.

Исходя из уравнений теплового баланса для  устройства  терморегулирования топлива с ЭНПК, получена система дифференциальных уравнений (1) с начальными условиями и параметрами варьирования:

                                           (1)

начальные условия: τ > 0; 

параметры варьирования: .

где Р_эн –мощность ЭНПК, Вт; K_1–2 , K_2–3, K₁, K₃ – коэффициенты теплопередачи от ЭНПК в топливо, от ЭНПК во внешнюю среду, от элементов топливной системы во внешнюю среду соответственно, Вт/(м²×°С); T_эн, T_Т, T_окр – температура ЭНПК, топлива и внешней среды соответственно, °С; F_эн, F₁, F₂, F₁₁, F₃ – площади ЭНПК в месте контакта с топливом, ЭНПК со внешней средой, ЭНПК с топливом, топливопроводов и ФТО соответственно, м²; C_эн, С_Т – теплоемкость ЭНПК и дизельного топлива, Дж/(кг×°С); h_эн– высота ЭНПК, м; V_Т – объем топлива, м³; ρ_эн, ρ_Т – плотности ЭНПК и топлива, кг/м³; τ – время, с.

Следует отметить, что потребляемый нагревателями ток прямо пропорционален температуре топлива (2).

                                                                          I_н~T_т                                                                                                                       (2)

Однако следует учитывать переходный режим работы нагревателя, который характеризуется пусковым током и в этом случае выражение (1) дополняется коэффициентом, учитывающим режим пуска. Для подбора нагревателей целесообразно учитывать особенности протекания пускового тока. Для нахождения силы тока при работе ЭНПК используется математическая зависимость[15]:

                                               (3)

где С_T– теплоёмкость топлива, Дж/(кг∙°С); D_T–расход топлива, м³/с; R(t₁) – электрическое сопротивление ЭНПК, Ом; ρ₂₀– плотность дизельного топлива при 20 °С, кг/м³; N–поправочный коэффициент;  ΔT–приращение температуры топлива при работе ЭНПК, °С; τ–время, с.

При анализе (3)  и температурной зависимости при нагреве из рисунка 5 следует, что ЭНПК работает в режиме саморегулирования температуры, что связано с изменением ∆T и ∆D_Т в топливе, что вызывает изменение силы тока I(R(t₁)) для ЭНПК.

Блок–схема алгоритма нагрева дизельного топлива с терморегулированием (рисунок 6) используется в системе управления.  Терморегулирование  топлива за счет контролируемого нагрева осуществляется за счет того, что алгоритм функционирования ЭНПК основан на контроле и активном нагреве до температуры при сравнении с задаваемым значением Т_з в каждой секции Т2 и Т1, а также потребляемого тока в ЭНПК.

Рис. 6. Алгоритм нагрева дизельного топлива с терморегулированием

Fig. 6. Algorithm of diesel fuel heating with thermal regulation

На рисунке 7 а представлен разрез топливного фильтра для дизельного топлива с ЭНПК на боковой поверхности (3D модель полученная в программе Blender 4.1.1) и термограмма топливного фильтра в результате теплового воздействия нагревательного элемента рисунок 7б. Тепловое воздействие на боковую поверхность топливного фильтра показана на рис 6 в, а тепловой поток с поверхности нагревателя на рис 6 г.

Рис. 7. а –топливный фильтр; б – термограмма внутренней полости топливного фильтра; в–распределение температурного поля при боковом контакте с фильтром;  г – термограмма нагревателя.

Fig. 7. a - fuel filter; b - thermogram of the internal cavity of the fuel filter; c - distribution of the temperature field at lateral contact with the filter; d - thermogram of the heater.

Из анализа термограммы, следует, что боковой тепловой поток от нагревателя, позволяет нагреть топливный фильтр с дизельным топливом во внутренней полости до 45,9 ºС.

Для создания программного обеспечения (ПО) управляющего микроконтроллера  (система управления) ЭНПК было использовано уравнение вида [12], которое позволяло оценить изменение мощности в зависимости от температуры:

                                                                         (4)

Параметры уравнения (4) для ДВС ЯМЗ 238 представлены в таблице 1.

Таблица 1– Параметры уравнения 4

Table 1- Parameters of Equation 4

Корректирующий коэффициент (G_ti) позволяет учесть возможность снижения температуры окружающей среду с последующим повышением мощности ЭНПК за счет включения большого количества секций ЭНПК в диапазоне температур от минус 10 до 40 °С. Для формирования ПО для системы управления ЭНПК использовано 5 режимов работы, к которым относится пуск, холостой ход и режимы под нагрузкой (25, 50, 75% от номинального значения полной загрузки ДВС).

Заключение

Полимерный композит был получен путём добавления металлизированных МУНТ (синтезированных СВЧ-методом) в кремнийорганический компаунд. Применение электронагревателей на основе полимерного композита (ЭНПК), позволяет  улучшить температурный режим для топлива, и соответственно условия запуска дизельного ДВС. При этом  существенно улучшается их энергоэффективность за счет придания эффекта саморегулирования температуры, обеспечивающегося благодаря металлизированным МУНТ с заданной структурой.

В основе процесса электронагрева композитного материала при протекании электрического тока лежит поляризация полимерной матрицы  и туннелирование элементарного заряда в МУНТ. В процессе нагрева ЭНПК была получена система дифференциальных уравнений. В результате чего была разработана система управления ЭНПК с применением микроконтроллера.

Реализация подогрева топлива новым типом композитного нагревателя ЭНПК с эффектом саморегулирования температуры и управления микроконтроллером, работающим по заданному алгоритму, обеспечивалось аппроксимацией решения системы дифференциальных уравнений. Разработанный алгоритм управления нагревателями в системе топливоподачи, учитывал как температуру топлива, так и питающий ток и напряжение нагревателя. В результате чего поддерживалась температура дизельного топлива с заданной погрешностью в режимах запуска ДВС, холостого хода и при работе под нагрузкой (50% от номинального значения) соответственно.

Контролируемый нагрева топлива с заданной температурой позволяет снизить нагрузку на АКБ, что существенно расширяет потенциальные возможности технологий электронагрева для автотранспортной техники.

Вклад авторов. Александр Викторович Щегольков ― поиск публикаций по теме статьи, написание текста рукописи; Алексей  Викторович Щегольков ― редактирование текста рукописи; Александр Викторович Щегольков ― редактирование текста рукописи, создание изображений; Алексей  Викторович Щегольков ― экспертная оценка, утверждение финальной версии. Авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-29-00855, https:// rscf.ru/project/24-29-00855/.

Список используемых источников

1. Deng Y., Liu H., Zhao X., E J., Chen J. Effects of cold start control strategy on cold start performance of the diesel engine based on a comprehensive preheat diesel engine model // Applied Energy. 2018. Vol. 210. P. 279-287. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2017.10.093.
2. Расчетное исследование влияния температуры воздуха на показатели дизеля / В. А. Марков, М. И. Шленов, А. В. Болдырев, Щепилов Е.А., Маркова И.Г.// Автомобильная промышленность. 2024. № 2. С. 3-7.
3. Hao Sun, Wugao Zhang, Yixuan Wang,Experimental study on improving cold start performance of diesel engines at extremely low ambient temperatures with diethyl ether,Energy,2023, Vol. 283, 129122, https://doi.org/10.1016/j.energy.2023.129122.
4. Крамаренко Г.В., Николаев В.А., Шаталов А.И. Безгаражное хранение автомобилей при низких температурах. М.: Транспорт, 1984. 136 с.
5. Park, S., Woo, S., Shon, J., & Lee, K. (2017). Experimental study on heat storage system using phase-change material in a diesel engine. Energy, 119, P. 1108–1118. doi:10.1016/j.energy.2016.11
6. Ahmed Saad Soliman, Ali Radwan, Li Xu, Junguo Dong, Ping Cheng,Energy harvesting in diesel engines to avoid cold start-up using phase change materials,Case Studies in Thermal Engineering,Volume 31,2022,101807,ISSN 2214-157X,https://doi.org/10.1016/j.csite.2022.101807.
7. Система электроподогрева топлива в системе питания дизельных АТС / Г. А. Борисов, И. Н. Колодяжная, Ю. В. Ичанкин, А. Д. Чернышев // Вестник Рязанского государственного агротехнологического университета им. П.А. Костычева. 2014. № 3(23). С. 39-42.
8. Щегольков А.В., Щегольков А.В. Антиобледенительные системы на основе эластомеров, модифицированных углеродными наноструктурами, с эффектом саморегулирования температуры. Природные ресурсы Арктики и Субарктики. 2022;27(1):141-151. https://doi.org/10.31242/2618-9712-2022-27-1-141-151.
9. Musat, R., & Helerea, E. (2010). Characteristics of the PTC Heater Used in Automotive HVAC Systems. Emerging Trends in Technological Innovation, 461–468. doi:10.1007/978-3-642-11628-5_51
10. Патент на полезную модель № 216724 U1 Российская Федерация, МПК F24H 7/00. Электронагреватель на основе эластичной матрицы и проводящих углеродных и металлических добавок : № 2022134187 : заявл. 24.12.2022 : опубл. 22.02.2023 / Н. В. Земцова, А. В. Щегольков, Б. С. Труфанов ; заявитель Общество с ограниченной ответственностью "ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ".
11. Патент № 2398126 C1 Российская Федерация, МПК F02M 31/125. Система терморегулирования топлива и моторного масла в двигателях внутреннего сгорания : № 2009115275/06 : заявл. 21.04.2009 : опубл. 27.08.2010 / В. Ф. Калинин, А. В. Щегольков ; заявитель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" ГОУ ВПО "ТГТУ".
12. Синтез углеродных нанотрубок с помощью СВЧ излучения для модификации эластомера с улучшенной электро- и теплопроводностью / А. В. Щегольков, А. В. Щегольков, М. А. Чумак [и др.] // Перспективные материалы. 2024. № 4. С. 54-65. DOI 10.30791/1028-978X-2024-4-54-65.
13. Shchegolkov A. V., Nachtane M., Stanishevskiy Y.M., Dodina E.P., Rejepov D.T., Vetcher A.A. The Effect of Multi-Walled Carbon Nanotubes on the Heat-Release Properties of Elastic Nanocomposites. Journal of Composites Science. 2022. 6(11):333. DOI: 10.3390/jcs6110333
14. Properties of Organosilicon Elastomers Modified with Multilayer Carbon Nanotubes and Metallic (Cu or Ni) Microparticles / A. Shchegolkov, A. Shchegolkov, N. Zemtsova [et al.] // Polymers. 2024. Vol. 16, No. 6. P. 774. –OI 10.3390/polym16060774.
15. Калинин, В. Ф. Система электронагрева питающего воздуха и терморегулирования топлива в дизельных двигателях / В. Ф. Калинин, А. В. Щегольков // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2009. Т. 15, № 2. С. 396-400.

Об авторах

Александр Викторович Щегольков

Email: Energynano@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-4317-0689
SPIN-код: 4893-5232
Scopus Author ID: 57992653500
Россия

Алексей Викторович Щегольков

Автор, ответственный за переписку.
Email: alexxx5000@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1838-3842
SPIN-код: 4929-5059
Scopus Author ID: 57205443030

 к.т.н., доцент

Список литературы

Дополнительные файлы