CC BY
53
УДК 621.431
Е. А. ОМЕЛЬЧЕНКО Д. Ю. ФАДЕЕВ
Омский автобронетанковый инженерный институт
К ВОПРОСУ ОБ ОЦЕНКЕ ПРЕДЕЛОВ ФОРСИРОВАНИЯ ДИЗЕЛЕЙ С УЧЕТОМ ТРЕБОВАНИЙ К ВЫБРОСАМ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ С ОТРАБОТАВШИМИ ГАЗАМИ
На примере перспективных дизелей семейства Т, разрабатываемых ООО «ЧТЗ-Уралтрак», проиллюстрирована методика расчетной оценки влияния различных факторов на экологические параметры и пределов форсирования, ограниченных допустимыми значениями этих параметров. Выполненные расчеты показали, что при условии применения конструктивных мероприятий, направленных на снижение тепломеханической напряженности и токсичности отработавших газов, принципиально возможно повысить уровень форсирования перспективных дизелей ООО «ЧТЗ-Уралтрак» семейства Т с 14,5 до 34 кВт/л (при частоте вращения 2400 мин-1) и довести его до уровня лучших зарубежных аналогов.
Ключевые слова: дизельный двигатель, форсирование, литровая мощность, тепломеханическая напряженность.
Дизели отечественного производства существенно отстают от зарубежных аналогов по одному из важнейших параметров, характеризующих технический уровень — литровой мощности (рис. 1). Повышение литровой мощности является одной из актуальных задач отечественного двигателестро-ения, однако при форсировании необходимо обеспечить соответствие требованиям стандартов к выбросам вредных веществ с отработавшими газами. На примере перспективных дизелей семейства Т, разрабатываемых ООО «ЧТЗ-Уралтрак», проиллюстрирована методика расчетной оценки влияния различных факторов на экологические параметры и пределов форсирования, ограниченных допустимыми значениями этих параметров.
В качестве исходного варианта принят режим номинальной нагрузки дизеля 4Т371, как наиболее форсированный (14,5 кВт/л). Рассматривались варианты повышения литровой мощности за счет
о о °
0 •
• £ • оо % о
В \ я? о*г> % 8 о 0 с
о а äj Ы 1
8 0 8 о w ü <|8в О 1 8
f L 1 • Z I 1
>• 1 • 1
i! у . г о • • •
• Отечественные о Зарубежные
Рис. 1. Удельная литровая мощность дизелей типа 4Т371, 6Т370, их отечественных и зарубежных аналогов
увеличения цикловои подачи топлива и воздуха, а также частоты вращения коленчатого вала. Оценивалась эффективность мероприятии, связанных с оптимизацией рабочего цикла, по снижению выбросов вредных веществ с отработавшими газами и тепломеханическои напряженности деталеи, образующих камеру сгорания. При этом динамическая нагруженность деталеи двигателя не оценивалась.
Был проведен численный многофакторный эксперимент методом D-Optimum, в ходе которого варьировались параметры: цикловая подача топлива — 8 расчетных точек, частота вращения коленчатого вала — 7 точек и степень повышения наддува — 11 точек, всего было рассчитано 616 вариантов (табл. 1). В ходе расчета использовалась ранее разработанная математическая модель [ 1 — 2]. Температура воздуха во впускном коллекторе, давление и температура отработавших газов в выпускном коллекторе рассчитывалась по известным зависимостям (см., например, [3]). В табл. 2 приведены максимальные значения ограничивающих (рассчитываемых) параметров.
Основные результаты расчета (при исходном значении степени наддува пк=1,6) приведены на рис. 2 и 3. Математическая обработка результатов численного многофакторного эксперимента показала, что выбранные ООО «ЧТЗ-Уралтрак» конструктивные и регулировочные параметры дизелей типа 4Т371 и 6Т370 близки к оптимальным. Резерв форсирования при исходных ограничивающих параметрах практически отсутствует, поэтому необходимы дополнительные конструктивные мероприятия по минимизации негативных последствий повышения литровой мощности.
Анализ результатов численного многофакторного эксперимента с ограничением только по удельному
Таблица 1
Исходные данные (варьируемые параметры) для численного эксперимента
Независимые параметры Зависимые параметры пк))
Ч,, мг п, мин-1 пк Т, К Р/Р0 Т, К
60 1600 1,0 293 0,95 750
80 2000 1,2 315 1,14 790
100 2400 1,4 335 1,33 839
120 2800 1,6 353 1,52 885
140 3200 1,8 369 1,71 927
180 3600 2,0 385 1,90 966
220 4000 2,4 414 2,28 1038
240 - 2,8 440 2,66 1103
- - 3,2 463 3,04 1162
- - 3,6 485 3,42 1217
- - 4,0 506 3,80 1269
№
Таблица 2
Предельные значения ограничивающих (рассчитываемых) параметров для одноцилиндрового отсека
Параметр Предельное значение Источник требований
де, г/ кВтч 218 Рекомендации ГОСТ 20000
Эмох' г/кВт-4 9,0 Требования ГОСТ Р 41.96-2005, с учетом коэффициентов весомости
дрм' г/кВт-4 0,3
4000.0
Р!РМ
3000.0 2000.0
4000.0
3000.0 2000.0
Г?РМ
4 .. 26.559 I 2 .. 24 4
I 120.0 22.2 I 117.8 .. 20.0 ' '-1 * в 17.8 I И 4 4 15.6 ЕЭи.2 . 13.4 I I"" .11.2 I |г .9.0 Ц2Ш4 6 .6.8
Рис. 2. Зависимость удельных выбросов оксидов азота (дКОх, г/кВтч) от частоты вращения коленчатого вала ^РМ, мин1) и цикловой подачи топлива (ОТ, мг) при п =1,6
Рис. 3. Зависимость удельных выбросов твердых частиц (дРМ, г/кВтч) от частоты вращения коленчатого вала ^РМ, мин1) и цикловой подачи топлива (ОТ, мг) при п =1,6
расходу топлива показывает, что при частоте вращения коленчатого вала 2000 мин-1 возможно достижение мощности 70 кВт/цилиндр (35 кВт/л), при этом существенно (в четыре раза) возрастут удельные выбросы оксидов азота (в 4 раза). Увеличение частоты вращения позволит повысить цилиндровую мощность с шагом 20...25 кВт/1000 мин-1, при этом удельные выбросы оксидов азота увеличатся в 6 раз. Исходя из полученных зависимостей и характеристик зарубежных аналогов, предложено в качестве предела форсирования выбрать режим, обеспечивающий значение литровой мощности 34 кВт/л (рис. 4):
— 9^=16,6 град. ПКВ до ВМТ,
— п = 2400 мин-1,
— Пк = 2,8.
Однако для выбранного режима необходимо применение дополнительных конструктивных мероприятий, обеспечивающих снижение удельных выбросов вредных веществ до требований стандартов. Эти мероприятия были обоснованы в ходе
дальнейших расчетов. При выбранных значениях варьируемых параметров и фиксированных значениях прочих параметров оценивалось влияние на характеристики двигателя давления впрыска (рис. 5), частичной рециркуляции отработавших газов (рис. 6), степени сжатия (рис. 7).
Рециркуляция отработавших газов является наиболее эффективным из рассмотренных мероприятий, ее применение позволит снизить удельные выбросы оксидов азота на 30.50 %, твердых частиц — в 2.5 раз, в зависимости от режима на-гружения. Рециркуляция может обеспечить соответствие как исходного, так и форсированного варианта двигателя требованиям НТД к выбросам дисперсных частиц, однако для выполнения норм по ИОх для форсированного варианта необходимы дополнительные конструктивные мероприятия, например, каталитический нейтрализатор, который позволяет снизить выбросы оксидов азота на 90 % (в 10 раз), СО и СН — на 80 % (в 5 раз). Снижение степени сжатия позволяет уменьшить удельные
Рис. 4. Зависимость эффективной мощности кВт) от частоты вращения коленчатого вала ^РМ, мин1) и цикловой подачи топлива (ОТ, мг) при п =2,8
40,00 35,00 30,00 m 25,00 20,00 g 15,00 ™ 10,00 5,00 0,00
rzrr
0,40
0,35
0,30
—NOx-1
0,25
—0—NOx-2
0,20
-И-РМ-1
0,15
01 —о—РМ-2
0,10
0,05
0,00
1,60 1,80 Pini'Pinjnom
Рис. 5. Зависимость удельных выбросов оксидов азота (N0^ и дисперсных частиц (РМ) от давления впрыска топлива: 1 — исходный, 2 — форсированный вариант
40,0 35,0 30.0 25.0 20,0
Г
--£ -g
0,80 0,70 0,60 0,50 , 0,40 " 0,30 0,20 0,10
Рис. 7. Зависимость удельных выбросов оксидов азота (N0 ) и дисперсных частиц (РМ) от степени сжатия (СЭД
примерно на 150 К, а температура деталей, образующих камеру сгорания, — на 200 К.
Таким образом, выполненные расчеты показали, что при условии применения конструктивных мероприятий, направленных на снижение тепломеханической напряженности и токсичности отработавших газов, принципиально возможно повысить уровень форсирования перспективных дизелей ООО «ЧТЗ-Уралтрак» семейства Т с 14,5 до 34 кВт/л (при частоте вращения 2400 мин-1) и довести его до уровня лучших зарубежных аналогов. Без применения каталитического нейтрализатора можно повысить уровень форсирования до 25 кВт/л (при исходной частоте вращения 2000 мин-1), что соответствует среднему уровню зарубежных аналогов.
Библиографический список
Рис. 6. Зависимость удельных выбросов оксидов азота (N0^ и дисперсных частиц (РМ) от доли рециркулирующих отработавших газов: 1 — исходный, 2 — форсированный вариант
выбросы оксидов азота примерно в 2,5 раза, но в 2 раза возрастают выбросы твердых частиц. Одновременно снижаются механические нагрузки на детали двигателя, при этом значение цилиндровой мощности (в рассматриваемом диапазоне степеней сжатия) уменьшается только на 10 %. Максимальная температура рабочего цикла снижается
1. Малозёмов, А. А. Математическая модель двигателя на основе системы дифференциальных уравнений энергетического и массового балансов / А. А. Малозёмов // Повышение эффективности силовых установок колесных и гусеничных машин : науч. вестник. — 2006. — № 18. — С. 8—15.
2. Малозёмов, А. А. Математическое моделирование химической кинетики образования токсичных веществ в дизеле балансов / А. А. Малозёмов // Повышение эффективности силовых установок колесных и гусеничных машин : науч. вестник. - 2006. - № 18. - С. 3-8.
3. Heywood, J. B. Internal combustion engine fundamentals / J. B. Heywood. - USA : McGraw-Hill Inc., 1988. - 930 p.
ОМЕЛЬЧЕНКО Евгений Алексеевич, заместитель начальника кафедры вождения.
ФАДЕЕВ Дмитрий Юрьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры ремонта БТ АТ. Адрес для переписки: dima11780@inbox.ru
Статья поступила в редакцию 10.11.2014 г. © Е. А. Омельченко, Д. Ю. Фадеев
Книжная полка
621.01/В41
Вивденко, Ю. Н. Теплофизика процессов в технологических системах : учеб. электрон. изд. локального распространения : конспект лекций / Ю. Н. Вивденко, С. А. Резин. - Омск : ОмГТУ, 2014. -1 о=эл. опт. диск (CD-ROM).
В соответствии с требованиями ГОС изложены основные представления, понятия и закономерности тепловых процессов в технологических системах. Приведены сведения о регулировании тепловых характеристик в технологических системах разного назначения. Для студентов вузов специальности 050100 «Технология машиностроения».
