Улучшение эксплуатационных показателей автотранспортных дизелей путем совершенствования системы питания

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

УЛУЧШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ АВТОТРАНСПОРТНЫХ ДИЗЕЛЕЙ ПУТЕМ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ

05.04.02 - Тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Корабельников Сергей Кимович

Санкт-Петербург-Пушкин

2009

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Николаенко Анатолий Владимирович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Петриченко Михаил Романович

доктор технических наук, профессор

Лиханов Виталий Анатольевич

доктор технических наук, профессор

Неговора Андрей Владимирович

Ведущая организация: ФГОУ ВПО СПб государственной университет сервиса и экономики

Защита состоится «27» ноября 2009 г. в 1330 ч. на заседании диссертационного совета Д220.060.05 при ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет» по адресу: 196601, Санкт-Петербург - Пушкин, Петербургское шоссе, 2, ауд. 2.529

Email: uchsekr@ spbgau.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного аграрного университета

Автореферат разослан «______» ____________ 2009 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета

д.т.н., профессор

Т.Ю. Салова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. На современном этапе развития общества правомерно говорить о существовании экологической проблемы, которая по своей общественной значимости вышла на одно из первых мест. Экологический кризис представляет собой реальную опасность, поскольку в каждом регионе налицо стремительное развитие критических техногенных ситуаций, которое в значительной степени определяется эксплуатацией мобильной техники.

К концу 2005 года парк автомобильной техники насчитывал около 31 млн. автомобилей, при этом свыше 50 % парка составляют автомобили старше 10 лет, в зарубежных странах этот показатель составляет: в Европе - 28 %, в США - 41 %, в Японии - 22 %.

За 2001 - 2005 годы объем автомобильного рынка увеличился на 18 % при среднем ежегодном росте на 3,5 %. Рост автомобильного рынка в России и возраст парка ставит перед отраслью задачу увеличения выпуска автомобильной техники, отвечающей современным требованиям. Эта задача становится еще более актуальной в условиях предстоящего вступления России в ВТО. Устойчивый рост числа автомобилей, несмотря на ужесточение экологических норм, как в Российской Федерации, так и в мире, ведёт к увеличению числа выбросов токсичных веществ, в среднем в год на 3,1 %. В результате величина ежегодного экологического ущерба от функционирования транспортного комплекса России составляет более 3,5 млрд. долл. США и продолжает расти.

Всё это ставит перед отечественными изготовителями проблему серьёзного совершенствования системы питания двигателя. Успешное решение поставленной проблемы возможно только при глубоком анализе физико-химических процессов, протекающих в цилиндрах дизелей, создании новых теоретических положений и практических методов, направленных на снижение токсичных выбросов двигателей. В связи с этим, создание экологически чистых дизельных энергоустановок при обеспечении снижения расхода топливо-смазочных материалов стало преобладающей тенденцией в развитии энергетики страны.

Таким образом, актуальность решения экологических проблем автотранспорта путем совершенствования имеющихся способов улучшения эксплуатационных показателей автотранспортных дизелей и разработки новых направлений в этой сфере приобретает всё большее значение.

Целью исследований является научное обоснование и разработка методов и средств улучшения эксплуатационных показателей работы дизелей путем совершенствования системы питания.

В связи с поставленной целью сформулированы основные задачи:

- обосновать необходимость и разработать концепцию комплексного подхода улучшения эксплуатационных показателей работы дизелей путем совершенствования системы питания;

- на основе анализа физико-химических процессов, протекающих в цилиндрах дизелей, обосновать и разработать многоуровневую, иерархически организованную топологическую схему и модель процессов деструкции топлива и образования продуктов сгорания топлива;

- разработать алгоритм, методику и программное обеспечение расчета концентрации токсичных компонентов ОГ;

- создать модульный комплекс конструкторских разработок системы питания, обеспечивающий улучшение эксплуатационных показателей дизельных энергоустановок;

- провести комплексные исследования эксплуатационных показателей автотракторных дизелей при внедрении конструкторских разработок системы питания;

- разработать рекомендации по применению модульных конструкторских разработок системы питания, направленных на минимизацию токсичных выбросов дизелей;

- оценить эффективность разработанных методов и средств и дать технико-экономическую оценку их применения на конкретных дизельных энергоустановках.

Методы исследований включали: теоретический анализ и обобщение результатов предшествующих работ, математическое и физическое моделирование процессов, протекающих в системах и цилиндрах дизелей, проведение экспериментальных исследований с использованием стандартных методов и методик, современных приборов с автоматической регистрацией и применением ЭВМ. Обработка опытных данных, их графическое представление выполнялись в приложениях EXСEL-2003 и Mathlab-7. Основной объем экспериментальных работ выполнен в период 1997…2006 г.г. на дизелях Д-243, ГАЗ-544.10, ЯМЗ-236 и КамАЗ-740.

Достоверность научных положений, выводов, результатов исследований и рекомендаций обоснована выбором физических моделей, базирующихся на фундаментальных теориях горения, законах термодинамики и тепломассообмена, адекватностью результатов экспериментальных исследований, внедрением разработок автора в производство и их функционированием.

Научной новизной диссертационной работы являются следующие положения:

- концепция комплексного подхода улучшения эксплуатационных показателей работы дизелей путем совершенствования системы питания;

- многоуровневая, иерархически организованная топологическая схема и математическая модель, позволяющие определять состав продуктов сгорания дизельных энергоустановках;

- алгоритм и методика расчета концентрации токсичных компонентов в ОГ дизельных энергоустановок;

- модульный комплекс конструкторских разработок системы питания, состоящий из электронной муфты опережения впрыска топлива, системы топливоподачи дизеля с разгрузочным клапаном, электронного всережимного регулятора частоты вращения двигателя, системы рециркуляции и фильтрации отработавших газов (ОГ) двигателя, обеспечивающих улучшение эксплуатационных показателей дизельных энергоустановок.

Практическую значимость работы представляют:

- реализованные результаты диссертационной работы, позволяющие определить эффективность известных и вновь созданных модульных конструкторских разработок системы питания, направленные на повышение топливной экономичности и уменьшения токсичности работы дизелей;

- модель, методика и программа расчета состава продуктов сгорания дизельных энергоустановок, позволяющие прогнозировать экологические показатели дизеля и проводить имитационные эксперименты по оценке влияния условий сгорания топлива на токсичность ОГ;

- модульный комплекс устройств систем питания, осуществляющий принцип многоцелевой унификации дизельных энергоустановок, новизна которых подтверждена 5 патентами;

- действующая установка на базе модульных конструкторских разработок системы питания, обеспечивающих улучшение эксплуатационных показателей дизельной энергоустановки.

Реализация результатов работы осуществлена в виде разработанных программных продуктов «Программа для ЭВМ № 2006612767 рег. 04.08.2006 г. «Расчет продуктов сгорания» 1.0», «Программа для ЭВМ № 2006612989 «Расчет трудоемкости работ по техническому обслуживанию и ремонту автомобильного транспорта» 1.0» рег. 21.08.2006 г., и рекомендаций их использования, которые внедрены и используются в учебном процессе СПб ГАУ.

Результаты исследований внедрены в ОСП Автобаза СПб ГУП «Горэлектротранс», СПб ГУП «Пассажиравтотранс», ОАО «Автоарматура», ОАО «Управление механизации-1», ОАО «Механический завод», ЗАО «Опытно-экспериментальная мебельная фабрика».

На защиту выносятся перечисленные выше основные результаты, имеющие научную новизну и практическую значимость.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и одобрены на ежегодных международных научно-практических конференциях «Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей», СПб, 1997-2007 г.; на научно-техническом семинаре «Научные и практические вопросы совершенствования автономных источников систем энергоснабжения военно-строительных комплексов», СПб, 1998 г.; на постоянно действующем научно-техническом семинаре стран СНГ, СПб, 1999 г.; на IV Международной научно-практической конференции «Автомобиль и техносфера» ICATS' 2005, Казань, 2005 г.; на IX Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы, СПб, 2005 г.; на VII международной конференции «Организация и безопасность дорожного движения в крупных городах», СПб, 2006 г.

Публикации. Результаты исследований по теме диссертационной работы изложены в 47 работах, в том числе 7 - в центральных изданиях, в 1 монографии, в 5 патентах, на 5 конференциях международного и всесоюзного уровня, 2 свидетельствах о регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 260 страницах, в том числе 200 страницах машинописного текста, 75 рисунках, 22 таблицах, 3-х приложениях и состоит из введения, 7 глав, заключения, списка литературы из 160 наименований и приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Экологические проблемы и пути их реализации при эксплуатации дизельных энергоустановок

Конструктивные особенности системы питания дизелей рассматривались для наиболее распространенных топливных систем непосредственного действия с рядными и распределительными топливными насосами высокого давления и механическим регулятором. В последнее время наблюдается тенденция к производству насосов с подвесными секциями, позволяющими повысить давление и интенсивность впрыска топлива.

К преимуществу насосов распределительного можно отнести значительно меньшее усилие управления золотником или дозатором, осуществляющим изменение цикловой подачи, что позволяет упростить конструкцию регулятора и различных корректирующих устройств.

В конструкциях рядных и распределительных топливных насосов высокого давления наиболее широко распространено дозирование цикловой подачи отсечкой в конце подачи. К преимуществам этого способа следует отнести неизменное начало подачи и возможность получения малых цикловых подач. Главными недостатками дозирования отсечкой является нарушение регулировочных параметров в результате износа кромок на плунжере и в отверстии втулки, что нарушает равномерность и момент подачи топлива к форсунке. Отмечается большая чувствительность к гидравлическому сопротивлению элементов системы питания, потому что отсечка топлива в конце нагнетания является источником колебаний в полости высокого давления и топливопроводах, что при известных условиях вызывает подвпрыски топлива форсункой.

Влияние эксплуатационных показателей автотранспортных дизелей на экологическую безопасность можно оценить по прогнозу соотношения вредных выбросов всего автомобильного парка и их суммарных пробегов. Так российские КамАзы и белорусские МАЗы, доля которых в автомобильном парке на международных перевозках составляет 11% и 33 % , сегодня с трудом могут удовлетворить нормам Евро - II. В том числе современное состояние технологии производства ДВС и систем ограничения их токсичности у ведущих мировых лидеров позволяет выполнить жесткие требования стандарта Евро - IV с минимальным запасом на увеличение при эксплуатации. Выполнение этих норм в эксплуатационных условиях без использования специальных мероприятий по снижению токсичности ОГ в процессе выпуска, не достигнуто еще ни одним из производителей двигателей.

Методы и средства уменьшения вредных веществ в выбросах при эксплуатации энергоустановок можно разделить на следующие направления.

Совершенствование системы питания дизеля, оптимизация параметров впускного (наддувочного) воздуха, предполагает: применение наддува и управление температурой наддувочного воздуха; увлажнение впускного воздуха; рециркуляцию ОГ (с предварительной очисткой, охлаждением, конвертацией); применение кавитационных гомогенизаторов дизельного топлива; турбулизацию заряда с целью получения гомогенного смесеобразования; очистку картерных газов, поступающих на впуск и т.д.

Улучшение параметров рабочего процесса дизеля и совершенствование законов топливоподачи представляет более широкие возможности для снижения токсичности ОГ. К ним относятся впрыск воды в цилиндры; оптимизация состава смеси; оптимизация характеристик работы муфты опережения впрыска и законов подачи топлива; управление температурой охлаждающей жидкости и масла; применение систем отключения цилиндров.

Широко применяется совершенствование системы выпуска отработавших газов, дооборудование её средствами очистки, например применение нейтрализаторов ОГ и дожигателей токсичных компонентов; установка фильтров-сажеуловителей различной формы и конструкции; создание систем комплексной очистки ОГ.

Используются также предварительная подготовка или обработка дизельного топлива, моторного масла, применение добавок и присадок, альтернативных видов топлива; конструктивные мероприятия, направленные на улучшение экологических показателей.

Выполненный анализ изменения мощности и топливной экономичности, показателя «затраты-эффективность», токсичности ОГ дизельных энергоустановок, в том числе отечественных автотранспортных дизелей позволил разработать концепцию комплексного подхода улучшения эксплуатационных показателей работы дизелей путем разработки модульного комплекса устройств, способствующих совершенствованию систем питания, рециркуляции и очистки отработавших газов.

При анализе современных теорий и моделей процесса сгорания топлива рассматривались работы Семенова Н.К., Зельдовича Я.Б., Свиридова Ю.Б., Смайлиса В.И. и др. Согласно теории Я.Б. Зельдовича, уравнения термодинамического равновесия представляют собой условия минимума свободной энергии системы, которые достигаются всегда экспоненциальным образом. При этом процесс рассматривается при постоянных объеме и температуре и заданном числе атомов. Ограничения применения теории заключаются в том, что взаимодействие молекул считается достаточно малым и газ рассматривается как совершенный, и доказательство существования и единственности решения для системы уравнении равновесия справедливо только в случае замкнутой системы.

В результате анализа исследований бимолекулярных и неразветвленных цепных реакций, выделены следующие основные закономерности. Кислород в соединениях с азотом образует соединения практически равноценные газообразному кислороду; встроенный в углеводородную молекулу азот создает энергетически активные комплексы - ОNСН, СНN, ONCO, ONC; химическая энергия горения передается азоту с образованием возбужденного азота; для процессов, протекающих с переменной температурой, характерно существование процессов «закалки», при этом получается смесь с неравновесным составом, отвечающим тому моменту, при котором было предпринято охлаждение. В качестве ограничений рассмотренных исследований необходимо отметить, что в расчетах применялся метод квазистационарных концентраций.

Рассмотрев особенности разветвленных цепных реакций горения, установлено, что при переменных температурах процесса «закалить» радикалы и атомы нельзя, они рекомбинируют без преодоления какого-либо существенного активационного барьера, поэтому концентрация активных центров в пламени, сравнимая с концентрациями горючих компонентов.

Таким образом, химическая энергия исходных горючих компонентов переходит частично в химическую энергию вновь образовавшихся центров с ненасыщенными валентностями - активных комплексов и только при их рекомбинации превращается в тепло. Равновесное состояние системы определяется балансом активных комплексов и центров, при этом процессы сгорания относятся к многостадийным превращениям в одной зоне и в разных зонах - фазах, через образование активных комплексов, зон-комплексов и квадратичное взаимодействие цепей.

Моделирование процессов деструкции топлива и образования продуктов сгорания

На основании системного подхода анализа физико-химических процессов, протекающих в цилиндрах дизелей, разработаны многоуровневая, иерархически организованная топологическая схема, математическая модель и методика исследования процесса образования продуктов сгорания топлива в дизелях, методика и программа оценки концентрации токсичных компонентов в ОГ дизельных энергоустановках.

В разработанной методологии анализа деструкции топлива в камере сгорания дизелей предлагается исследуемые процессы рассматривать как многофазный процесс в многокомпонентной системе. При моделировании, используя системный подход, выделены три уровня иерархии построенной топологической схемы, где рассматриваются процессы образования продуктов сгорания топлива.

На каждом уровне иерархии модели решаются сходные вопросы, позволяющие осуществить единую методологию изучения разработки научных основ, методов, моделей и их оптимизации, разработки и экспериментального исследования элементов и всего процессов в целом. Таким образом, процесс образования продуктов сгорания топлива рассматривается как взаимодействия в термодинамической системе, для которых на всех уровнях составляют функциональные и топологические модели, математические описания и систему ограничений.

На первом этапе построенной модели рассматривается условие равновесия системы, в том числе на первом уровне этапа за основу структурной функциональной модели принимается дифференциальное уравнение Ван-дер-Ваальса для бинарных систем, которое определяет условие равновесия бинарных двухфазных систем и является справедливым для любых двух сосуществующих фаз. Решение данной системы в общей форме дают известные законы Гиббса-Коновалова.

На втором уровне этапа рассматривается условие равновесия системы для многокомпонентной двухфазной системы

(1)

За переменные состояния принимаются давление р, температуру Т и молярные доли х1, х2, … хn-1 компонентов, которые подчиняются условию

, . (2)

Используя уравнение равновесия бинарной системы для каждой пары, составляющей систему, записываются дифференциальные уравнения, определяющие условия равновесия многокомпонентных двухфазных систем,

дизельный энергоустановка топливо выброс

, (3)

которое можно применять как для систем без химических превращений, так и для систем с химическими превращениями, так как частные производные функции Гиббса по молярным дробям, образовавшихся в результате химических превращений веществ, равны нулю.

На третьем уровне этапа рассматривается условие равновесия для многофазной многокомпонентной системы, как равновесие первой фазы и каждой из r фазы, и для n компонентной и r фазной системы записывается система из (r-1) дифференциальных уравнений условия равновесия, где верхние индексы при величинах указывают номер фазы.

, (4)

Система уравнений (4) линейна относительно дифференциалов от давления и термодинамических потенциалов, а также выполняются условия

. (5)

На втором этапе построенной модели рассматривается стабильность фаз системы, которая определяется знаком вторых производных функции Гиббса.

На третьем этапе построенной модели рассматривается условие существования экстремума систем, из которого следует, что многокомпонентная многофазная система будет моновариантная, и состав одной фазы системы можно представить через остальные в виде линейного преобразования путем их смешения в определенной пропорции.

Методика определения количественного и качественного состава продуктов сгорания топлива основана на перечисленных закономерностях, которые позволяют построить топологию термодинамической системы - процессов смесеобразования и сгорания топливовоздушной смеси. Рассматриваемые процессы относятся к многостадийным превращениям с образованием активных центров и комплексов в одной или в разных зонах - фазах, сопровождаемые квадратичными взаимодействиями.

Во всей совокупности веществ или на многограннике материального баланса, выделяется ряд последовательных зон с различными физическими свойствами -- зоны прогрева вещества, тепловыделения в узких зонах химических реакций, зоны индукционного режима горения.

Таким образом, используя системный подход, строится термодинамическая модель, в которой многообразие веществ и радикалов, участвующих в реакциях сгорания

[N, O, OH, H, H, НO2, O2H2, CH, CH2, HCN, NH, NH2, NO, NO2, N2O, NO, CO, CO2, C …],

представляется топологическим пространством Т, которое включает области равновесного состояния Тр, и активных зон Тз (таблица 1), состоящие из систем с общими свойствами,

Т [Тр (Ти + Тк) + Тз (М + R)]. (6)

Область равновесного состояния Тр включает область Ти, состоящей из систем исходных веществ, и области Тк, состоящей из систем конечных веществ, которые образуются при условии прохождения реакций до равновесного состояния.

Область активных зон Тз состоит из зоны M активных комплексов Ki, и зоны R активных центров Ai. Реакции, протекающие внутри зон, рассматриваются как взаимодействие комплексов и радикалов, систем, ограниченных поверхностью раздела, то есть взаимодействие систем можно рассматривать как взаимодействие фаз. Также возможно взаимодействие фаз, принадлежащих разным зонам, и взаимодействие фаз с системами из области равновесного состояния Тр. В результате проходящих реакций, системы переходят в равновесное состояние, которое определяется условиями фазового равновесия.

Таким образом, для каждой системы зон M, R и области Тз определяются условия равновесия фаз по составу и значению химического потенциала в интервале значений давления и температур.

Для этого процесс деструкции топливо-воздушной смеси рассматривается как взаимодействие веществ, заданных материальным балансом. Для составления материального баланса термодинамические системы задаются списками из n веществ Yj, где j = {1 ... n}, и m элементов Xi, где i = {1 ... m} так, что любое j вещество Yj состоит только из i элементов Xi с учетом их стехиометрических коэффициентов.

Таблица 1 - Топология термодинамической системы

Пространство Т
Область Тр	Область Тз
Ти	Системы исходных веществ	М	Системы активных комплексов
	N2, H2, O2, CmHn		ONCH, ONCO + H, ONC + H СHN+O
			ON+HC ONH+C OHC+N CN+OH
			CNH, CN+H, CH + N
Тк	Системы конечных веществ, которые образуются при условии прохождения реакций до конца	R	Системы активных центров
	СО2, СО, Н2О		CH2, CH, CH3
	NO, NO2, N2O3		HO, HO2, H2O2

Для исследования разработанной модели и ее элементов использовалась разработанная программа «Расчет продуктов сгорания», с помощью которой определялись экстремальные состояния систем или концентрация веществ в узловых точках материального баланса для рассматриваемого варианта (рисунок 1) в виде множеств {Lj}.

Разработанная программа позволяет также определять экстремальное состояние систем при условии максимума двух и более элементов, что соответствует узловым точкам систем активных комплексов Кi - L19 … L21 термодинамической модели, например L19 - максимум веществ {ON+HC} (рисунок 1).

В результате расчета получен массив данных, позволяющий построить многогранник материального баланса, удовлетворяющий начальным условиям расчета и отображающий возможные изменения состояния систем в соответствии с изменением температурно-диффузионных характеристик процесса смесеобразования и сгорания топлива. На многограннике материального баланса веществ был определен разрешимый уровень взаимопревращений компонентов, составляющих систему.

Для каждого состояния системы определялись значения функции Гиббса и на многограннике материального баланса построена поверхность функции Гиббса и ее изолинии (рисунок 1). В качестве исходного состояния термодинамической модели Т системы принимаются множества из области равновесных состояний Тр, для которых значения функции энергии Гиббса имеют максимальные значения: система Р0 {max O } Ф0 = -15385 кДж/моль, которая располагается в центре многогранника, и система Р1 {max N2 } Ф1 = -16457 кДж/моль, вершина многогранника материального баланса.

Для определения равновесного состояния системы необходимо рассмотреть полученные результаты - поверхность функции Гиббса на существование экстремума. Построенная поверхность функции Гиббса имеет локальные минимумы, возникающие из-за взаимодействия области активных комплексов и области активных центров (рисунок 1). Каждому минимуму соответствует градиент функции Гиббса, определяющий наиболее вероятное развитие процессов деструкции смеси.

На всей поверхности функции Гиббса установлено четыре вектора градиента функции Гиббса в направлении систем: множества Р8 области активных комплексов К2, множества Р15 области активных комплексов К1, множества Р17 области конечного равновесия Тк, множества Р26 области активных центров А2, которые в исследовании на экстремум рассматриваются в порядке убывания градиента функции Гиббса:

Р26 А2 R Р26 {max НO2 } Ф26 = -16836 кДж/моль;

Р15 К1 M Р15 {max ONCO + H} Ф15 = -19558 кДж/моль;

Р8 К2 М Р8 {max ON + CH} Ф8 = -19818 кДж/моль;

Р17 Tк Р17 {max N2O3} Ф17 = -21328 кДж/моль.

Таким образом, анализ термодинамической модели Т процесса образования продуктов сгорания начинается в направлении от исходного состояния - системы множеств Р0 и Р1, к равновесному состоянию первого минимума функции Гиббса - области активных центров А2 [Р25 {ОН}, Р26 {НО2}, Р27 {Н2О2}, Р28 {НОН}], в направлении множества Р26 {НО2}, где активированные центры систем {НО2}, {НОН}, {Н2О2} формируют зону стабильных равновесных состояний (уровень замкнутых изолиний функции Гиббса, координата точки на поверхности х=0,3346 и у=-0,3, рисунок 1).

Используя разработанную программу, по установленному алгоритму расчета определяется фазовое равновесие систем области активных центров А2 - множество {Z1}, в котором наблюдается локальное равновесие систем Р25, Р26, Р27, Р28 (состояние на поверхности показано стрелкой, рисунок 1). Состав множества {Z1} соответствует концентрации веществ равновесного состояния систем области активных центров А2, которому соответствует значение функции Гиббса - Фр1 .

В направлении второго минимума функции Гиббса - области активных комплексов М К1 [Р16 {ОСNН}, Р15 {ОNСО + Н}, Р14 {ОNС + H}, Р13 {CHN + O}], образуется несколько локальных зон равновесия фаз, сдвигая равновесное состояние систем в сторону множества Р15 {ОNСО + Н}. Исходной точкой в расчетах является множество {Z21}, которое определяется пересечением равновесного уровня функции Гиббса Фр1 с вектором градиента функции Гиббса Ф15 множества Р15 , max {ОNСО + Н}.

Далее по установленному алгоритму определяется фазовое равновесие систем области систем активных комплексов К1 - множество {Z22} (координата точки на поверхности х=-0,5027 и у=-0,07927, рисунок 2) и рассматривается локальное равновесие множеств {Z21} и {Z22}. В итоге, решая систему уравнений фазового равновесия для этих множеств, получают состав множества {Z2}, которому соответствует значение функции Гиббса - Фр2.

В направлении третьего и четвертого градиента функции Гиббса модели рассматривается аналогично развитие процесса деструкции топливо-воздушной смеси в области активных комплексов К2 [Р8 {ОN + НC}, Р9 {ОNН + C}, Р10 {ОHC + N}, Р11 {CN + ОН}] и в области систем конечного состояния Тк [Р17 {N2O3 }, Р18 {N2O}, Р19 {NО2} Р20 {NО}], соответственно.

Равновесный уровень Фр4 можно считать устойчивым равновесным состоянием термодинамической системы Т, которое определяет состав продуктов сгорания топливно-воздушной смеси.

дизельный энергоустановка топливо выброс



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1 - Термодинамическая модель процесса образования продуктов сгорания - первый градиент функции Гиббса



Рисунок 2 - Термодинамическая модель процесса образования продуктов сгорания - второй градиент функции Гиббса

Разработанные математическая модель, топологическая схема, методика исследования процесса образования и программа расчета состава продуктов сгорания топлива позволяют:

- оценить взаимодействие активных комплексов и центров, которые устанавливают соотношение равновесных и реально возможных состояний систем термодинамической модели процесса сгорания,

- оценить на основании рассмотрения градиента концентрации или равновесного уровня функции Гиббса возможность образования конечных продуктов сгорания - СО2, сажи, углеводородов, оксидов азота.

В результате моделирования процесса деструкции топливо-воздушной смеси определены экстремальные концентрации продуктов сгорания в отработавших газах дизеля, в том числе для оксидов азота и углерода, углеводородов.

Результаты исследований процессов смесеобразования и сгорания топливо-воздушной смеси

Анализ распределения уровней равного потенциала термодинамической модели в зависимости от значений угла опережения впрыска топлива проводился по разработанной методике термодинамического анализа процесса сгорания топливо-воздушной смеси. Используя предложенную методику расчета, были построены диаграммы состояния, определяющие состав отработавших газов в зависимости от времени, отводимого на смесеобразование и сгорание топлива, организации процесса сгорания топлива - значений угла опережения и давления впрыска топлива, разработаны алгоритм и методика расчета концентрации токсичных компонентов в ОГ дизельных энергоустановок.

Исследованиями установлено, что максимально возможный уровень, так же как и равновесный уровень функции Гиббса не достигаться в реальных условиях сгорания в дизелях. Разрешимый термодинамический уровень определяется временем, отводимым на смесеобразование и сгорание топлива в дизеле.

Весь процесс сгорания разбивается на временные интервалы ф0, ф1, ф2 и ф3 - время задержки воспламенения, период возрастания температур до максимальных значений и период наблюдения температур и от максимальных значений до конца такта расширения, которые определены по результатам индицирования рабочего процесса двигателя.

Временной интервал ф0 значительно меньше термодинамически возможного времени ц1 достижения множества {Z1}, что ограничивает развитие процесса в области первого градиента равновесного уровня функции Гиббса Фр1. Таким образом, достижимое состояние будет множество {F1}, которому соответствует уровень функции Гиббса Фд1 (координата точки х=0,186 и у=-0,1483 и значение Фд1 = -23590кДж/(кг град) на треугольнике материального баланса, рисунок 1) и смещает развитие процесса в направлении второго градиента.

Время наблюдения максимальных температур цикла 1 > ц2 и 2 > ц3 или основного процесса сгорания не накладывают ограничения на развитие процесса сгорания. Поэтому термодинамически возможно достижение равновесного уровня в направлении второго и третьего градиента, однако равновесное состояние смещается из-за изменения исходного уровня функции Гиббса и достигается множество {F2} в направлении второго градиента функции, которому соответствует уровень Фд2. В направлении третьего градиента функции Гиббса достигается множество {F3}, которому соответствует уровень Фд3 (координата точки х=-0,2358 и у=0,4 и значение Фд2 = -26637 кДж/(кг град) на треугольнике материального баланса, рисунок 2).

Процесс сгорания завершается на линии расширения, ему соответствует время 4 = 0,426 усл.ед., что меньше термодинамически возможного времени ц4, поэтому стабильный равновесный уровень в данной области недостижим, действительное равновесное состояние смещено в сторону множеств Р11 {NO} Р12 {N2O}. Достижимому равновесному состоянию соответствует множество {F4} и равновесным уровень Фд4 (координата точки х=-0,5688 и у=-0,5467 и значение Фд2 = -3520 кДж/(кг град) на треугольнике материального баланса, рисунок 3).

Анализ распределения уровней равного потенциала термодинамической модели позволяет установить зависимости изменения состава системы при заданных условиях смесеобразования и сгорания.

При увеличении угла опережения впрыска топлива по сравнению с оптимальным значением уменьшается временной интервал 2, то есть разрешимый уровень функции Гиббса Фр2 не достигается, и достижимое состояние термодинамической системы сместится в сторону третьего градиента функции Гиббса. При этом увеличивается интервал наблюдения максимальных температур цикла 3. Таким образом, определяя достижимый уровень равного потенциала термодинамической модели сгорания топлива, устанавливаются возможные концентрации продуктов сгорания в зависимости от изменения угла опережения впрыскивания топлива.

Уменьшение установочного угла опережения взыска топлива сокращает время протекания подготовительных процессов сгорания топлива 0, при этом достижимое состояние термодинамической системы сместится в сторону второго градиента функции Гиббса. Сокращается также время наблюдения максимальных температур 1 и 2, таким образом, увеличивается продолжительность временного интервала соответствующего четвертому градиенту функции Гиббса. Сокращение времени наблюдения максимальных температур определяет уменьшение образования оксидов азота, но при этом увеличивается количество несгоревших углеводородов (рисунок 4).

Рисунок 3 - Термодинамическая модель процесса образования продуктов сгорания - четвертый градиент функции Гиббса

Разработанные алгоритм и методика расчета концентрации токсичных компонентов в ОГ дизельных энергоустановок позволяют изучить зависимость изменения концентрации токсичных компонентов в отработавших газах от скорости развития процесса сгорания топлива или условий сгорания топливо-воздушной смеси.

Разработанные модель и методика позволяют исследовать влияние изменение давления начала впрыска топлива на образование продуктов сгорания и состав ОГ дизельных энергоустановок. Уменьшение давления начала впрыска топлива от значений 17,5 МПа до 14,5 МПа увеличивает время протекания подготовительных процессов сгорания топлива 0 и уменьшает время наблюдений максимальных температур 1 и 2. Таким образом, достижимый равновесный уровень термодинамической модели определяется в области второго и третьего градиента, что в целом снижает значение оксидов азота и увеличивает содержание углеводородов в ОГ дизеля.

При увеличении давления начала впрыска топлива от значений 17,5 МПа до 20,5 МПа уменьшается время протекания подготовительных процессов сгорания топлива 0 и время наблюдений максимальных температур 1 и 2, что сдвигает достижимый уровень функции Гиббса термодинамической модели вправо и в целом увеличивает содержание оксидов азота в ОГ и уменьшает выброс углеводородов. Справедливость данных предположений в построенной модели подтверждается соответствием полученных расчетных значений концентраций составляющих ОГ экспериментальным данным (рисунок 5).



Рисунок 4 - Изменение состава отработавших газов дизеля Д-240 в зависимости от значений угла опережения впрыскатоплива

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 5 - Изменение состава отработавших газов дизеля Д-243 в зависимости от значения давления впрыска топлива

Моделирование и методика расчета состава ОГ дизельных энергоустановок в зависимости от режима работы дизеля учитывает увеличение цикловой подачи топлива с ростом нагрузки. Для каждого режима - изменение нагрузки на определенной скоростной характеристике строится многогранник материального баланса, который рассчитывается по соотношению топлива - воздух.

При изменении нагрузки продолжительность сгорания также изменяется. Для одного скоростного режима при увеличении нагрузки время наблюдения максимальных температур увеличивается, что в целом соответствует увеличению оксидов азота в ОГ дизеля. Содержание углеводородов в ОГ также растет, так как увеличивается время наблюдения процесса в направлении третьего и четвертого градиента функции Гиббса.

Предлагаемые алгоритм, методика и программный продукт «Программа для ЭВМ № 2006612767 рег. 04.08.2006 г. Расчет продуктов сгорания 1.0» позволяют изучить зависимость изменения концентрации токсичных компонентов в отработавших газах от скорости развития процесса сгорания топлива; оценить взаимодействие активных комплексов и центров, которые устанавливают соотношение равновесных и реально возможных состояний систем термодинамической модели процесса сгорания.

По результатам проведенных теоретических и экспериментальных исследований процесса сгорания топлива и образования токсичных компонентов ОГ, разработана концепция комплексного подхода улучшения эксплуатационных показателей работы дизелей путем совершенствования системы питания, реализующая полученные математические модели и расчетные методы.

Численным моделированием подтверждена и дана количественная оценка влияния значений регулировочных параметров топливной аппаратуры, нагрузки и скоростного режима работы дизеля на токсичность ОГ.

Разработанная программа расчета продуктов сгорания позволяет, используя предложенную методику анализа и расчета сгорания топливо-воздушной смеси, прогнозировать и проводить диагностику состояния топливной системы двигателя, а также определять соответствие современным нормативам токсичности выбросов дизеля. Точность прогнозирования составляет 10 - 15 %.

Улучшение эксплуатационных показателей дизеля путем рециркуляции и фильтрации отработавших газов

На основе разработанной концепция комплексного подхода улучшения эксплуатационных показателей работы дизелей для уменьшения выброса оксидов азота, углеводородов и твердых частиц был разработан и исследован комплексный модуль системы питания - рециркуляции и фильтрации отработавших газов.

При исследовании модуля рециркуляции было установлено, что при степени рециркуляции до 2/3 незначительно увеличивается (на 5 %) выброс оксидов углерода (СО) по сравнению со штатным режимом. Однако, негативное влияние рециркуляции ОГ начинает проявляться на нагрузочных режимах соответствующих 50 %, и достигает величины 0,38 % по СО при 90 % нагрузки, что является недопустимым. С другой стороны исследованиями установлено, что применение рециркуляции ОГ позволяет при степени рециркуляции, равной 3/3, получить снижение выбросов оксидов азота до 60 %. Такие результаты можно объяснить снижением максимальных температур цикла, имеющих непосредственное влияние на выбросы оксиды азота.

С точки зрения оптимизации режимов работы модуля рециркуляции ОГ по выбросам твёрдых частиц и оксидов азота, необходимо уменьшать степень рециркуляции ОГ и по возможности не применять на нагрузочных режимах выше 50 %. Выбросы углеводородов мало зависят от нагрузки, однако, применение рециркуляции в количестве 1/3 несколько увеличивает выбросы СН, но дальнейшее увеличение степени рециркуляции оказывает положительное влияние и позволяет снизить выбросы углеводородов на 60 … 70 %.

Анализируя полученные зависимости изменения эффективных показателей дизеля можно утверждать, что с увеличением степени рециркуляции эффективная мощность дизеля падает, особенно эта закономерность проявляется в диапазоне Ре свыше 0,7 МПа, т.е. в режиме нагрузок, близких к максимальным (рисунок 6).

Таким образом, с увеличением нагрузки дизеля рециркуляция ухудшает процессы смесеобразования и сгорания, и, следовательно, с точки зрения потерь мощности, рециркуляцию целесообразно применять на режимах, не превышающих ѕ от максимальных нагрузок двигателя.

Рисунок 6 - Изменение технико-экономических показателей работы дизеля в зависимости от значения нагрузки n = 1700 мин-1

Исследуя закономерность изменения удельного эффективного расхода топлива, можно заметить, что с увеличением рециркуляции ОГ экономичность двигателя первоначально несколько улучшается; что проявляется на режимах, не превышающих ѕ от максимальной нагрузки (Ре = 0,05…0,65 МПа). Однако, при увеличении рециркуляции ОГ более 2/3 экономичность начинает ухудшаться. То есть подтверждает ранее сделанное предположение о применении рециркуляции на режимах, не превышающих 75 % от максимальной нагрузки.

Таким образом, исследования показали, что удовлетворение перспективных норм на токсичность ОГ дизелей возможно только при создании комплексного модуля системы питания. Рассматривая воздушный, газовый и рециркуляционный тракты дизеля как единую взаимосвязанную систему впуска-выпуска и рециркуляции ОГ, для достижения целевых параметров токсичности был разработан комплексный модуль системы питания - устройство управления процессами газообмена и очистки ОГ - нейтрализатор - фильтр, устанавливаемые в выпускной системе дизеля. В этом случае получена система очистки ОГ, которая максимально компенсирует отрицательное влияние составных устройств модуля на исходный дизельный процесс

Модуль фильтрации имеет керамический сажевый фильтр, внутренние поверхности фильтрующих элементов которого могут покрываться каталитическим слоем, или состоять из катализатора и сажевого фильтра, установленных последовательно в выпускном трубопроводе. Конструктивно сажевый фильтр (рисунок 7) представляет собой керамические элементы 1, размещенные в металлическом корпусе 2, к которому присоединен выпускной патрубок 3, отводящий очищенные ОГ в атмосферу, и входной патрубок 4, соединявшийся с выхлопной трубой двигателя.



Рисунок 7 - Сажеуловитель (100х100х400)

На входе в сажевый фильтр установлен перепускной клапан 5, который открывается при достижении допустимого противодавления на выпуске ОГ. Керамический элемент уплотняется в корпусе сажеуловителя с помощью высокотемпературного герметика. В качестве наполнителя при производстве фильтрующих элементов использован монофракционный нормальный электрокорунд с зернистостью № 25, который, благодаря узкому фракционному составу зерен, обеспечивает получение наименее плотной упаковки частиц в материале и, следовательно, наибольший фактический объем пустот, ответственных за образование порового пространства керамики.

Рисунок 8 - Керамический элемент с закрытыми в шахматном порядке каналами

В качестве глинистого компонента использована глина и бентонит оглаклинский, основным глинообразующим минералом которого является натриевый монтмориллонит. Активная площадь фильтрующих элементов увеличена посредством выполнения каналов, которые на входе и выходе заглушаются в шахматном порядке (рисунок 8). Основным недостатком устройства можно считать повышение давления в выпускном коллекторе двигателя. Так противодавление в выпускной системе увеличивается при повышении частоты работы дизеля от 0,02 кг/см2 при 600 об/мин до 0,15 кг/см2 при 2930 об/мин. При пробеговых испытаниях наблюдается повышение противодавления на частоте около 2500 об/мин и выше до 0,3 кг/см2.

При работе комплексного модуля рециркуляции и фильтрации ОГ увеличивается скорость прохождения потока газов через устройство фильтрации, тем самым ускоряется процесс выведения выхлопных газов и несгоревших частиц, не позволяя им откладываться на деталях двигателя. Увеличение скорости выхода выхлопных газов из рециркуляционного трубопровода во впускной трубопровод увеличивает турбулентность и улучшает степень гомогенности смеси воздуха с выхлопными газами на впуске. При впуске более однородной смеси в цилиндр двигателя происходит более полное сгорание топлива, уменьшается образование несгоревших частиц, что приводит к увеличению ресурса работы двигателя.



Размещено на http://www.allbest.ru/

В разработанном комплексном модуле (рисунок 9) всасывающе-нагнетающее устройство производит просасывание всех ОГ через устройство фильтрации и нагнетание части ОГ, предназначенных для рециркуляции, в рециркуляционный трубопровод.

Выполнение всасывающе-нагнетающего устройства в виде проточной цилиндрической камеры с впускным, выпускным и рециркуляционным патрубками позволяет разделить поток очищенных выхлопных газов на две части: рециркулируемую и направляемую в атмосферу.

Управляющий сигнал блока управления увеличивает частоту оборотов электродвигателя всасывающе-нагнетающего устройства, увеличивая скорость вращения ротора. При этом уменьшается давление в выпускном трубопроводе за устройством фильтрации перед всасывающее-нагнетающим устройством, увеличивая разницу давлений до и после устройства фильтрации. В результате увеличивается скорость и расход ОГ, проходящих через устройство фильтрации. Электропривод всасывающе-нагнетающего устройства работает до тех пор, пока датчик давления в выпускном трубопроводе вновь не зафиксирует атмосферное давление перед устройством фильтрации.

В результате осуществляется регулирование скорости прохождения выхлопных газов через устройство фильтрации в случае изменения давления выхлопных газов, вызванном изменением числа оборотов дизеля, и, следовательно, полное выведение несгоревших частиц из двигателя, что увеличивает ресурс его работы.

Система автоматической регенерации керамических элементов сажеуловителя, представленная в виде схемы, была реализована для автобуса и большегрузного автомобиля (рисунок 10).

Применение модуля фильтрации с системой автоматической регенерации дает возможность практически полностью исключить дымление дизелей и выбросы твердых частиц. Это показали стендовые и эксплуатационные исследования (рисунок 11).

Так при проведении испытания на автобусе с повышенным дымлением двигателя установка фильтра привела дымление двигателя в норму. Достигнуто снижение дымности ОГ у грузовых автомобилей и автобусов в 2-3 раза, а на легковых автомобилях - в 5,5 раз. Эффективность очистки достигла 93 - 95 %.

Размещено на http://www.allbest.ru/

М

Рисунок 11 - Внешняя скоростная характеристика двигателя КамАЗ-740

Размещено на http://www.allbest.ru/

- с применением модульного комплекса конструкторских разработок;

- с применением модулей рециркуляции и фильтрации ОГ;

- без применения модулей

Совершенствование системы питания на основе создания модульных конструкторских устройств

Улучшение эксплуатационных показателей работы дизелей путем совершенствования системы питания путем создания комплекса электромеханических конструкторских устройств, включающего в себя муфту автоматического регулирования угла опережения впрыска топлива (УОВТ), разгрузочный клапан и регулятор частоты вращения, и модульный комплекса рециркуляции и фильтрации ОГ. Использование модульного комплекса системы питания направлено на оптимизацию характеристик работы дизельного двигателя в соответствии со скоростным и нагрузочным режимами его работы.

Модульное устройство электромеханической муфты автоматического регулирования УОВТ (Патент на полезную модель RU № 44354, МПК 7 F 02 M 39/00, 59/02, F 02D 1/08, муфта автоматического регулирования УОВТ, рисунок 12) имеет блок управления (рисунок 13), состоящий из управляемого выпрямителя 20 переменного напряжения, которое предварительно формируется преобразователем 18 постоянного напряжения из напряжения, используемого для питания электрооборудования автомобиля.



Рисунок 12 - Устройство муфты автоматического регулирования угла опережения впрыска топлива

1 - корпус муфты; 2 - ведущая полумуфта; 3 - ведомая полумуфта; 4 - подвижная втулка; 5 - шлицевое соединение между ведущей полумуфтой и подвижной втулкой; 6 - шлицевое соединение между подвижной втулкой и ведомой полумуфтой; 7 - пружина; 8 - кулачковый вал ТНВД; 9 - шпонка; 10 -электромагнитная катушка; 11 - изолятор; 12 - токоприемник; 13 - неподвижный контакт; 14 - управляемый источник тока; 15 - центрирующая пробка; 16 - прямоугольный шип; 17 - датчик частоты вращения коленчатого вала двигателя

Сигнал, требуемый для управления выпрямителем, формирует частотно-аналоговый преобразователь 19 от датчика положения коленчатого вала 17 (ДПКВ), который определяет частоту вращения коленчатого вала двигателя по зубчатой шкале, размещенной непосредственно на корпусе муфты. В конструкции модуля использован немеханический привод управления, что позволяет уменьшить инерционность работы устройства в целом и сделать его габариты минимальными. Величина угла поворота определяется угловым смещением ведомой полумуфты относительно ведущей полумуфты, которое определяется линейным перемещением подвижной втулки по косым шлицам за счет электромагнитного привода - обмотки электромагнита, взаимодействующей с подвижной втулкой и управляемой силой тока, величина которого пропорциональна частоте вращения коленчатого вала двигателя.

Рисунок 13 - Блок-схема управляемого источника тока

14 - управляемый источник тока (рисунок 1); 18 - преобразователь напряжения; 19 - частотно-аналоговый преобразователь; 20 - управляемый выпрямитель; А - вход от источника постоянного напряжения; В - выход; С - вход от датчика частоты вращения

Отсутствие дополнительных кинематических связей увеличивает точность изменения УОВТ за счет пропорциональности силы магнитного поля от величины силы тока, подаваемого на катушку. Электромагнитная катушка используется в качестве единственного привода, воздействующего на подвижную втулку, что уменьшает вес и габариты муфты; исключение промежуточных рабочих тел сокращает длительность цикла регулирования, уменьшает инерционность регулирования и упрощает конструкцию в целом.

При неработающем двигателе на входе частотно-аналогового преобразователя отсутствует сигнал от датчика, из-за чего на входе «С» управляемого выпрямителя отсутствует управляющее напряжение. В этом состоянии в управляемом выпрямителе происходит полное падение напряжения, что проявляется наличием нулевого напряжения управления на выходе «В» управляемого источника тока, из-за чего в электромагнитной катушке отсутствует ток. Подвижная втулка под действием пружины находится в исходном крайнем левом положении УОВТ является исходным.

При работе двигателя вращение приводного вала двигателя передается корпусу и ведущей полумуфте. Далее, посредством шлицевых соединений через подвижную втулку вращение передается на ведомую полумуфту, а затем, посредством шпонки на кулачковый вал ТНВД.

С увеличением частоты вращения увеличивается управляющий ток, смещение втулки поворачивает ведомую полумуфту, увеличивая УОВТ. При максимальном числе оборотов двигателя кулачковый вал ТНВД смещен в направлении вращения на максимальный угол, при котором пружина полностью сжата и дальнейшее увеличение частоты вращения коленчатого вала не вызывает изменения величины УОВТ. Угол сохраняется постоянным до снижения числа оборотов двигателя, когда последовательно уменьшаются: частота сигнала, поступающего на вход «С» управляемого источника тока; напряжение управления на выходе «В» управляемого источника тока; сила тока, проходящая в электромагнитной катушке; сила магнитного поля, воздействующая на втулку. В результате подвижная втулка под действием сжатой пружины перемещается влево, поворачивая кулачковый вал с помощью ведомой полумуфты в сторону уменьшения УОВТ.