Конкурс молодежных творческих работ по применению возобновляемых источников энергии в городской среде

Комплекс «Engine. Indication. Ecology»

ВУЗ:
ФГБОУ ВПО "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова"
Номинация:
Название проекта:
Комплекс «Engine. Indication. Ecology»
2
  • Egor Lebedev
    Александр, вы предложили очень интересный и масштабный проект. Не могли бы вы представить какие-то конкретные результаты моделирования, в результате которых вам удалось улучшить характеристики ДВС?
Название проекта

Тип проекта: Технологическая разработка

Тематика: Энергосбережение и энергоэффективность

Под категория: Математическое моделирование и multi-D профессиональные среды

Описание проекта

Несмотря на более чем вековую историю мирового двигателестроения интерес исследователей к проблемам горения в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) не уменьшается. Современная техника предъявляет всё более жёсткие требования к мощностным и экономическим показателям двигателя, но их улучшение встречает всё новые трудности, которые могут быть в определённой мере решены соответствующей организацией процесса горения.

В настоящее время уменьшение загрязнения атмосферного воздуха токсичными веществами стационарных силовых установок и транспортных двигателей является одной из важнейших проблем как для развитых индустриальных стран, так и для развивающихся.

Следует отметить, что математическое моделирование позволит в переводе ДВС на газ и альтернативные виды топлив, проектировании рабочего процесса, что соответствует постановлению Правительства РФ «О необходимости развития рынка газомоторного топлива» (ДМ-П9-5169 от 02.11.06).

Соответствие проекта «Стратегии инновационного развития России до 2020 года»: «Первоочередное внимание будет уделено внедрению лучших доступных технологий, экономии ресурсов, экологичности производства, переходу на современные виды сырья и топлива, а также развитию энергетики, основанной на использовании альтернативных и возобновляемых источников энергии, что должно стать важнейшим фактором инновационного развития в смежных секторах, в том числе электронике и энергомашиностроении, и экономики в целом».

Научная новизна работы заключается в создании уточнённых математических моделей и соответствующего программного обеспечения для расчёта образования вредных веществ (СO, NO) при фронтальном горении углеводородных топлив и их смесей (содержащих С-H-N-O элементы) различного состава в ДВС с искровым зажиганием с учётом градиента температуры в продуктах сгорания на основе использования аналогичных исследований в бомбах (постоянного и переменного объёма). Такой подход отличается следующими особенностями:

- метод раскрывает физическую сущность процесса в рамках многозонной модели фронтального горения, позволяет получить высокую точность описания сложных пространственных процессов внутри цилиндра и даёт возможность исследовать развитие процесса горения во времени и пространстве в камерах сгорания реальной геометрии;

- метод позволяет получить характеристику тепловыделения, при этом функция выгорания топлива обусловлена массовой скоростью фронтального горения заряда;

- потоки тепла через каждую из поверхностей, ограничивающих объём камеры сгорания реальной формы определяются отдельно от зон продуктов сгорания и свежей смеси, имеющих различные температуры.

Разрабатываемый комплекс даст возможность проводить предварительную оптимизацию режимных, регулировочных и конструктивных параметров двигателя на этапе проектирования и быстро анализировать влияние этих изменений на оценочные параметры работы двигателя.

Проблема, на решение которой направлен проект

В настоящее время моделирование образования токсичных веществ в ОГ ДВС проводится на основе различных эмпирических формул, имеющих весьма ограниченное применение, а именно в пределах конструктивных (для двигателя), термодинамических и стехиометрических (для рабочего тела) параметров процесса, при которых проводились эксперименты и были получены эти эмпирические формулы. Это не отражает все особенности физико-химического процесса. Корректное прогнозирование образования токсичных веществ в продуктах сгорания ДВС помогло бы содействовать в снижении этих выбросов в проектируемых двигателях.

Основное назначение проектного решения, условия его применения и ценность для основных групп потенциальных потребителей

Подходы к созданию двигателей, основанные не на эмпирических формулах сгорания и образования токсичных веществ, а на строгих физических и химических процессах, сокращают период разработки новой техники, в результате математического моделирования объём экспериментальных работ значительно сокращается, что дает существенный экономический эффект (оптимизация рабочего цикла: повышение КПД и минимизация расхода топлива) при необходимом улучшении экологических характеристик (приведение в соответствие с международными стандартами, снижение выбросов токсичных веществ в атмосферу).

Потенциальные пользователи, потребители или клиенты

- Крупные и средние промышленные / производственные компании

- Инфраструктурные корпорации (транспорт, энергетика, телекоммуникации)

- Субъекты малого предпринимательства

Потенциальные клиенты: ВУЗы профиля энергомашиностроения (например, такие специальности как «Энергомашиностроение», «Тепловые двигатели», «Теплофизика и теоретическая теплотехника»), научно-исследовательские организации двигателестроения и конструкторские бюро, промышленные предприятия двигателестроительной отрасли

Архитектура, технические характеристики, выполняемые функции, соответствие проектного решения современным международным стандартам

Программный продукт применим на оборудовании НИЛ, содержащей персональный компьютер с установленной операционной системой MS Windows 7/8.

Важность данной работы соответствует стратегии развития России на период до 2020 года и заключается в постановлении Правительства РФ «О необходимости развития рынка газомоторного топлив»" (ДМ-П9-5169 от 02.11.06).

Практическая ценность разработки: математическое моделирование поможет ускорить проектные работы и снизить затраты на дорогостоящие испытания при доводке двигателей на альтернативных газовых топливах, обеспечить эффективный рабочий процесс с высокой топливной экономичностью и низкой токсичностью отработавших газов для удовлетворения требований международных стандартов (например, ЕВРО-5 и выше).

Научная новизна проектного решения

Научная новизна работы заключается в создании уточнённых математических моделей и соответствующего программного обеспечения для расчёта образования вредных веществ (СONO) при фронтальном горении углеводородных топлив и их смесей (содержащих С-H-N-O элементы) различного состава в ДВС с искровым зажиганием с учётом градиента температуры в продуктах сгорания на основе использования аналогичных исследований в бомбах (постоянного и переменного объёма).

Аналоги проектного решения, основанные как на том же, так и на альтернативных научных принципах

1. Программный комплекс «ДИЗЕЛЬ-РК» МГТУ им. Н.Э. Баумана, предназначенный для термодинамического анализа ДВС, исследования наддува, исследования влияния фаз газораспределения, исследование влияния топливной аппаратуры и формы камеры сгорания и исследования системы рециркуляции отработавших газов.

2. Элементы COMSOL Multiphysics – пакета для моделирования физических процессов, в том числе для решения задач из области динамики жидкостей и газов и химической газодинамики.

Основные конкурентные преимущества

Математические модели учитывают распространение турбулизированного сферического фронта пламени в условиях реальной геометрии камеры сгорания и цилиндра поршневого двигателя с искровым зажиганием. Прогнозирование образования токсичных веществ в продуктах сгорания ДВС на основе равновесного состава.

Полезные, в том числе экономические, эффекты для пользователей и отрасли

Практическая ценность разработки: математическое моделирование поможет ускорить проектные работы и снизить затраты при ДВС, обеспечить эффективный рабочий процесс с высокой топливной экономичностью и низкой токсичностью отработавших газов.

Результаты будут полезны ВУЗам профиля энергомашиностроения (например, такие специальности как «Энергомашиностроение», «Тепловые двигатели», «Теплофизика и теоретическая теплотехника»), научно-исследовательским организациям двигателестроения и конструкторским бюро, а также промышленным предприятиям двигателестроительной отрасли.

Интеллектуальная собственность

1. Моделирование индикаторной диаграммы поршневого двигателя (ENGINE-INDICATION) / А.А. Брютов, П.К. Сеначин // Свид-во о ГР программы для ЭВМ № 2011617189 / ГОУ ВПО «Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова» (АлтГТУ) (RU). Заявка № 2011615726 от 29.07.2011.

2. Моделирование рабочего процесса ДВС с учётом образования токсичных веществ в продуктах сгорания – Engine. Indication. Ecology (EIE) / А.А. Брютов, П.К. Сеначин // Свид-во о ГР программы для ЭВМ / Брютов Александр Андреевич, Сеначин Павел Кондратьевич (RU). – Заявка № 2014617070 от 22.07.2014.

Дополнительная информация о проекте

Нехватка современных обучающих курсов в области энергомашиностроения накладывает отпечаток на подготовку будущих инженеров. Разрабатываемый комплекс может быть внедрён в учебный процесс кафедры "Двигатели внутреннего сгорания" АлтГТУ и других вузов профиля "Энергомашиностроение", "Тепловые двигатели", "Теплофизика и теоретическая теплотехника". Он будет способствовать активному вовлечению студентов в инновационную и исследовательскую деятельности, положительно влияет на мотивацию обучающихся. Это позволяет овладевать инвариативной и вариативной составляющей такой деятельности, делать осознанный выбор и рефлексию наиболее успешной ситуации, а педагогу – грамотно провести студента по траекториям личностного и профессионального развития, опирающейся на потенциал и ресурсы личности студента.

Актуальность проекта для молодёжи в соответствии с распоряжением правительства РФ от 08.12.2011 № 2227-р: «Важнейшим направлением инновационного развития является стимулирование инновационной активности молодежи … Это позволит выявить талантливую молодежь, пробудить у нее интерес к занятиям научной деятельностью, сформировать контингент будущих студентов и аспирантов, сознательно и целенаправленно желающих заниматься наукой и инженерными разработками».

http://www.youtube.com/watch?v=u-O3jDhsuV4