Математическое моделирование экологических характеристик дизельных двигателей Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.436.001.891.573

Е. И. СКОВОРОДНИКОВ Ю. Б. ГРИШИНА С. И. АХМЕТОВ А. М. МИНИТАЕВА

Омский государственный университет путей сообщения

Омский государственный технический университет

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ____________________________________

В статье рассмотрены математические модели, учитывающие большое количество факторов, влияющих на технико-экономические и экологические характеристики дизельных двигателей.

Ключевые слова: математическая модель, вредные выбросы, отработавшие газы, дизель, двигатель.

В настоящее время проблема оценки экологической безопасности транспортных двигателей стала самостоятельным научно-техническим направлением с большим разнообразием идей и методов. Отдельные аспекты процесса обработки данных экологических характеристик достигли высокой степени организации и взаимосвязи, что позволяет объединить их в единый информационный комплекс, который решал бы задачи как оценки экологических параметров двигателей так и задачи прогнозирования этих параметров в условиях эксплуатации.

Определение степени экологического воздействия вредных выбросов на окружающую среду в условиях населенных пунктов потребует выявления и формализации закономерностей формирования объема выбросов загрязняющих веществ в зависимости от характеристик транспортного потока, улично-дорожной сети, организации движения и других факторов. Непременным условием повышения эффективности учета всех действующих факторов является применение оптимальной информационной технологии, обладающей гибкостью, мобильностью и эффективным алгоритмом оценки количества вредных веществ в продуктах сгорания. Одним из путей оценки количества продуктов сгорания и вредных веществ при сгорании топлива в двигателе является теоретический расчет по условиям равновесного состава.

Известно, что количество продуктов сгорания определяется, в основном, коэффициентом избытка воздуха и расходом топлива за цикл. Продукты полного сгорания дизельного топлива при коэффициенте избытка воздуха больше единицы состоят из углекислого газа, водяного пара, оксида серы, избыточного кислорода и азота, поступившего в цилиндр двигателя с воздухом.

Очевидно, что массовая величина выбросов каждого ¿-го вещества при работе двигателя на каждом к-ом режиме тепловоза должна определятся по выражению, кг:

^1к — 9(кЧ' 1^1

где д|к 1к — удельный выброс ¿-го вещества и время работы двигателя на к-ом эксплуатационном режиме, соответственно.

Подрежимом работы двигателя, при оценке экологических характеристик, необходимо понимать совокупность параметров: мощность, соответствующей частота вращения коленчатого вала и величина удельного расхода топлива.

Например, для дизельных двигателей маневровых тепловозов значения нормативных (СО1"1), удельных (СО|ул|) и предельно-допустимых (СО'"1’1) выбросов оксида углерода и оксидов азота (ЫО>|",1 ЫОх(ул|, ЫО,'"111), регламентированные различными нормативными документами приведены в табл. 1 [1,2).

Данные, представленные в табл. 1 показывают динамику изменения количества вредных выбросов при изменении нагрузки двигателя. Так, при увеличении эффективной мощности дизеля и частоты вращения коленчатого вала двигателя (повышение номера позиции контроллера машиниста), то есть при увеличении среднеэффективного давления рабочего цикла двигателя зависимости вида СО = Г(Ые, п, Ье) ЫОх = 5(Ые, п, Вч) имеют возрастающий характер, причем возрастание зависимостей объясняется, скорее всего, увеличением часового расхода топлива (Вч, кг/ч) при изменении режима работы. Согласно данным, представленным в табл. 1, видно, что для установления нормативных, удельных и предельно допустимых значений — единая методика расчета, но очевидно, что нет единых методов приборного и аналитического контроля названных параметров.

Анализ экспериментальных методов, используемых в настоящее время для контроля состава продуктов сгорания топлива в дизельных двигателях, показал, что в настоящее время отсутствуют достаточно эффективные методы способные учесть изменение технического состояния двигателя, изменение КПД рабочего цикла, изменение расхода топлива и т.д.

Наличие экспериментальных методов контроля экологического воздействия транспортных двигателей на окружающую среду не исключает необходимость в разработке и использовании наиболее надеж-

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК N»2 (ВО). 2009

ных, наиболее точных, наименее трудоемких и наиболее дешевых методов аналитической оценки количества продуктов сгорания, базирующихся на реакциях окисления топлива кислородом воздуха и протекающих при высоких, переменных во времени, давлениях и температуре в замкнутом, переменном во времени, объеме цилиндра в течение ограниченного промежутка времени.

В общем случае количество горючей смеси М, в цилиндре двигателя определяется коэффициентом избытка воздуха а и теоретически необходимым количеством воздуха для сгорания единицы топлива, кмоль/кг:

М, = (0.397С + 1,19Н 4- 0,149Б - 0,1490)<х, (2)

где С, Н, Б, О — доли горючих элементов в составе топлива.

Согласно известным теоретическим положениям двигателей для любого ¿-го режима работы продукты полного сгорания жидкого топлива при коэффициенте избытка воздуха а £ 1 состоят из углекислого газа С02, водяного пара Н20, оксида серы 502, избыточного кислорода 02 и азота Ы2, поступивших с воздухом [2].

При расчете продуктов полного сгорания не учитываются термодинамические параметры, характеризующие процесс выгорания топлива в цилиндре двигателя такие как: продолжительность сгорания, зависимость коэффициента избытка воздуха, давления и температуры в цилиндре двигателя от времени или от угла поворота коленчатого вала дизеля. В этом случае, предполагается, что процесс сгорания топлива в цилиндре двигателя это процесс мгновенный, коэффициент избытка воздуха, давление и температура рабочего тела в цилиндре достаточные, чтобы обеспечить полное сгорание, и в состав продуктов входят только пять названных выше, элементов.

Известно, что даже при идеальной организации рабочего цикла в цилиндре дизеля достичь полного сгорания топлива практически не удается [3]. Причинами этого являются:

— локальный недостаток кислорода в зоне горения вследствие несовершенства смесеобразования, то есть неоднородность горючей смеси;

— недостаточность времени для сгорания рабочей смеси в цилиндре двигателя при увеличении час-

тоты вращения коленчатого вала двигателя;

- значительное количество переходных процессов в условиях эксплуатации, то есть увеличение времени работы дизеля с обедненными или обогащенными рабочими смесями и т.д.

В самом общем случае предполагается, что продукты неполного сгорания дизельного топлива состоят из углекислого газа С02, оксида углерода СО, водяного пара Н20, водорода Н2, азота Ы2 и его оксидов, кислорода 02, небольшого количества метана СН4 и других углеводородов [1,3].

Для расчета эксплуатационных экологических характеристик серийных дизелей целесообразно использовать аналитический метод основанный на условиях равновесного состава. Под условием равновесия, в данном случае необходимо понимать равенство энергии, затраченной на диссоциацию молекул топлива и воздуха энергии, затраченной на создание новых химических элементов, а именно продуктов сгорания. Преимущества метода очевидны по следующим причинам:

- при расчете продуктов сгорания учитывается элементарный состав топлива; расчет продуктов сгорания возможен для любого углеводородного топлива состава С + Н + 0 + 3=1;

- состав и количество продуктов сгорания возможно рассчитывать с учетом изменения термодинамических параметров рабочего тела в процессе выгорания топлива в цилиндре двигателя (доля сгоревшего топлива, давление, температура, объем цилиндра, коэффициент избытка воздуха и т.д.).

- по результатам математического моделирования параметров рабочего цикла двигателя, в основу которого могут быть положены результаты стендовых испытаний необходимо определить полноту сгорания топлива в цилиндре двигателя и скорректировать количество некоторых продуктов сгорания.

Принято, согласно работе [ 1 ], что в составе отработавших газов при сгорании дизельного топлива (Н + С + 0 + 3=1) может содержаться 36 химических элементов, для определения количества которых для каждого)-го момента сгорания (угла поворота коленчатого вала), используются уравнения материального баланса, записанные в виде:

Таблица 1

5р = 0,3746^; Гр = 0,0839-^;

С н

Нормативные, удельные и предельно допустимые значения вредных выбросов в отработавших газах тепловозных двигателей

Позиция контроллера машиниста Тип дизеля Количество оксида углерода, кг/ч Количество оксидов азота, кг/ч

СО(н) СО(уд) СО (пр) Ш*(н) Шх(уо) ыох(пр>

0 6ЧНЗ 1,8/33 КбБЗКт 0,074 0,185 0,712 0,609 0,113 1,782 0,181 0,767 0,301 3,998 0,712 0,183

3 6ЧНЗ 1,8/33 кбэзктя 0,925 2,549 0,029 0,539 0,772 1,934 7,611 10,886 4,479 9,322 6,892 6,363

5 6ЧНЗ 1,8/33 КбБЗЮОЯ 2,407 4,697 3,278 1,948 2,772 2,955 15,402 18,834 14,380 11,280 26,807 15,268

7 6ЧНЗ 1,8/33 КбБЗКЮЛ 4,619 7,303 9,491 4,521 9,951 6,289 25,465 27,795 29,974 11,967 33,871 28,001

8 6ЧНЗ 1,8/33 КбБЗКЮЯ 5,999 8,778 13,709 6,244 18,855 9,470 31,347 32,561 39,906 11,833 33,871 35,803

ар = —Ц—; ßp = 1,1082(0,21 + 0) (3)

и уравнение Дальтона

/I

Р', = ИРг1<' (4)

где п — количество контролируемых элементов в продуктах сгорания топлива.

Текущие значения парциальных давлений отдельных продуктов сгорания топлива в цилиндре двигателя Р(| определяются с использованием констант равновесия реакций диссоциации газов а,,, Рр, у , Б,, рассчитанных по средней температуре рабочего тела для выбранного момента процесса сгорания [4].

Тогда количество каждого ¿-го продукта сгорания согласно уравнению (5) состояния газов определится, кг:

где ц, - молярная масса і-го продукта сгорания, кг/ кмоль; У(, Т( — объем цилиндра и температура рабо-чеготелав]-ыймоментпроцесса сгорания: Й. — универсальная газовая постоянная, )г — продолжительность сгорания, °п.к.в.

Изменение параметров рабочего тела (объема, давления, температуры, доли сгоревшего топлива и коэффициента избытка воздуха) в цилиндре двигателя для расчетного интервала времени, например І|_| “її' происходит вследствие выделения тепла при сгорании топлива, теплообмена рабочего тела со стенками цилиндра, газового обмена между объемом цилиндра впускными и выпускными системами, изменения состава рабочего тела и т. д.

При расчете эксплуатационных экологических характеристик серийных транспортных дизелей параметры процесса выгорания топлива в цилиндре двигателя целесообразно оценивать с использованием метода И. И. Вибе, который позволяет рассчитать продолжительность сгорания, долю сгоревшего топ-

лива и термодинамические параметры процесса выгорания топлива в цилиндре двигателя [3].

Таким образом, использование математической модели, оценивающей параметры выгорания топлива в цилиндре двигателя по результатам стендовых испытаний и метода расчета продуктов сгорания по условиям химического равновесия, позволит отказаться от использования газоанализаторов, обеспечить оперативность экологического контроля и оценить качество протекания рабочего цикла при различных условиях нагружения двигателя.

Библиографический список

1. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. — М., 1981,— 159 с.

2. Тепловозные двигатели внутреннего сгорания / Симеон А.Э., Хомич А.З., Куриц A.A. и др. — М., 1087. — 513 с.

3. Вибе И.И. Новое о рабочем цикле двигателей. — М., 1962. - 270 с.

4. Термодинамические свойства индивидуальных веществ / под ред. A.B. Гурвич. — М., 1962. — 1480 с.

СКОВОРОДНИКОВ Евгений Иванович, доктор технических наук, профессор кафедры «Локомотивы» Омского государственного университета путей сообщения.

ГРИШИНА Юлия Борисовна, аспирантка кафедры «Локомотивы» Омского государственного университета путей сообщения.

АХМЕТОВ Серик Имангалиевич, аспирант кафедры «Локомотивы» Омского государственного университета путей сообщения.

644046, г. Омск. пр. Карла Маркса, 35 МИНИТАЕВА Алина Мажитовна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Прикладная математика и информационные системы» Омского государственного технического университета.

E-mail: alinanower@rambler.ru

Дата поступления статьи в редакцию: 29.05.2009 г.

© Сковородников Е.И., Гришина Ю.Б., Ахметов С.М., Минитаева А.М.

Книжная полка

УДК 629

Баловнев, В. И. Автомобили и тракторы [Текст] : крат, справ. / В. И. Баловнев, Р. Г. Данилов. — М. : Академия , 2008. - 379, [2] с. - (Непрерывное профессиональное образование). — ¡БВЫ 978-5-7695-3562-8.

Приведены технические характеристики и конструктивные особенности отечественных грузовых автомобилей общего и специализированного назначения, автобусов, колесных и гусеничных тракторов. Рассмотрены конструкции отечественных пожарных автомобилей. Представлены сведения по автогудронаторам, автобетоносмесителям, автомобильным кранам и экскаваторам на автомобильном и тракторном шасси. В приложении даны нормы расхода топлива на автомобильном транспорте и перечень государственных стандартов по тематике справочника.

Справочник предназначен для специалистов в области механизации строительства, дорожного и коммунального хозяйства, работников предприятий автомобильного транспорта и управлений механизации сельского хозяйства, а также студентов высших и средних технических учебных заведений.