CC BY
25
АЕ = А
( ? Л V ]
V )
p-Q
4- F
кав ~ ^тр
(6)
Все виды энергий в (6) приведены к единице массы жидкости, поэтому и Екав является удельной энергией ка-
витационных пузырьков. При отсутствии кавитации это слагаемое равно нулю.
Анализ всех членов (11) позволяет сделать вывод: энергия кавитации является частью потерь механической энергии жидкости и приводит к дополнительному уменьшению полной механической энергии потока жидкости на выходе из кавитационного устройства.
Библиографический список
1, Лэйцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. - М: Наука, 1978. - 736 с.
Д.В.Евтухов
Моделирование токсических характеристик автотранспортных средств с дизельными двигателями
Моделирование токсических показателей автотранспортных средств (АТС) с дизельным двигателем внутреннего сгорания (ДВС) имеет особенности по сравнению с бензиновыми, связанные с отличиями по организации процессов смесеобразования и сгорания. Кроме того, в настоящее время активно внедряются системы электронного управления дизельными двигателями, которые оказывают непосредственное влияние на токсичность отработавших газов. Еще одной особенностью моделирования показателей дизельных АТС является наличие не трех, как у бензиновых ДВС, а четырех групп токсичных компонентов; оксид углерода СО, углеводороды CfnHn, оксиды азота NOx, твердые частицы (дым-ность) РМ.
Первые три показателя нормируются в массовых единицах, соотнесенных к единице времени (кг/ч, г/ч) или пробега (г/км), однако иногда могут нормироваться в удельных единицах (г/(кВт-ч)). Выбросы твердых частиц также нормируются в массовых или удельных единицах, но часто измеряется дымность отработавших газов, выражаемая в относительных объемных единицах (по шкале Hartrige либо по шкале Bosch) [1, 2],
Первоначально рассмотрим вопросы, касаемые модели АТС с дизельным двигателем с механическим управлением (механический ТНВД - топливный насос высокого давления); отличия по системам электронного управления будут учтены далее и скорректированы относительно базовой модели,
Очевидно, что при построении модели должны быть использованы известные по литературным источникам уравнения, характеризующие отдельные режимы движения АТС и работы двигателя. Так, при рассмотрении тягово-динамических показателей автомобиля в модели использованы известные уравнения /1, 3, 4, 5, 6, 7, 8/, на основании которых далее происходило определение экономических и экологических параметров работы двигателя и движения АТС.
При работе двигателя на режиме минимальной частоты вращения свободного холостого хода отсутствуют связи с другими элементами подсистемы «Автомобиль», а расход топлива и выбросы вредных веществ полностью определяются характеристиками двигателя на свободном холостом ходу, В процессе разгона автомобиля количество вредных выбросов и расход топлива определяются режимом работы двигателя, характером его изменения, а также универсальными экономическими и эмиссионными характеристиками двигателя с учетом их особенностей на неустановившихся режимах,
Процесс разгона автомобиля с дизельным двигателем с механическим управлением включает несколько этапов. Однако, в отличие от бензинового двигателя, управление дизелем со стороны водителя осуществляется не непосредственным изменением количества топлива, поступающего в цилиндры, а через регулятор ТНВД. Характер переходного процесса в значительной степени зависит от типа регулятора, влияющего на закон перемещения рейки и изменения цикловой подачи топлива ТНВД при одинаковом управлении со стороны водителя.
При исследовании процесса трогания и разгона автомобиля с места выделяются два этапа; период с пробуксовыванием сцепления, сопровождающийся уменьшением частоты вращения коленчатого вала и повышением скорости движения автомобиля, а также период с момента выравнивания частот вращения коленчатого вала и ведомой части сцепления, заканчивающийся в момент перехода на более высокую передачу.
Решением системы дифференциальных уравнений, описывающих движение автомобиля на различных режимах, можно найти на каждом участке А\ значения параметров, определяющих режим работы дизельного двигателя. В качестве таких параметров выбраны эффективный крутящий момент двигателя Мк и частота вращения коленчатого вала двигателя пА.
Согласно [1] экономические и токсические характеристики двигателя могут быть представлены зависимостями
gt = bq20 + ьч21пд + ья22м:к + bq23n;
+ Ьч24пдМ,
+ ьч25м;
Ьх2о+ьх21пд+Ьх22Мк+Ьх23П;
+ЬХ24ПдМК+ЬХ25М}
(i) (2)
где Эт, вХ1 - соответственно расход топлива и выбросы ¡-го токсического компонента отработавших газов, кг/ч.
По мнению автора, расход топлива и выбросы вредных веществ, кг/ч, можно также определять по уравнениям вида
(3)
ri _ рт V V
^т T.xx.min Qn QM'
G
^Xi.xx.min^Xn^XM »
(4)
где Gj.xx.mim Gxi.xx.min - соответственно расход топлива и выбросы \- ых токсических компонентов отработавших газов на холостом ходу при минимальной частоте вращения коленчатого вала, кг/ч; к0п, ком, кХп, кхм ~ корректировочные коэффициенты расхода топлива и выбросов вредных веществ по частоте вращения коленчатого вала пд и величине крутящего момента Мк;
k-Qn ~ CQnO + Срп,Пд + Сдп2Пд
Qp ~ CQpO + CQpl^i
+ CQP2MK'
k
Xn
'XnO
+ СХП1Пд+СХП2ПД2+СХПЗПД3
kxP =cXp0 +cXplMK +cXp2MK2 +cXp3MK3
(5) (Ó)
(7)
(8)
Коэффициенты bq0 - bq9, bx0 - Ьх9, bq20 - bq2ó. b*2o - bx25, c0no - cQr,2, cQM0 - cQM2! cXn0 - сХпз. cXMo - схмз, входящие в уравнения (l)-(8), могут быть определены либо путем обработки соответствующих заводских характеристик, либо по результатам достоверных экспериментальных исследований.
Выброс твердых частиц в дизельных двигателях с механическим управлением возникает вследствие рассогласования рабочих процессов сгорания топлива при обогащении смеси. Характерно, что на технически исправном и правильно отрегулированном двигателе увеличение выбросов твердых частиц на разгоне зависит только от степени изменения нагрузочного режима и практически не зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя,
Согласно проведенным автором исследованиям [9] выбросы вредных веществ АТС с дизельным двигателем с механической и электронной системами управления на установившихся режимах работы адекватно описываются уравнениями (1)-(8), имея в данных зависимостях различные числовые значения коэффициентов, составляющих их. Однако на неустановившихся режимах работы характер изменения выбросов вредных веществ может существенно отличаться.
С точки зрения показателей экологической безопасности дизельные двигатели можно классифицировать, В данном случае при моделировании токсических показателей автомобиля целесообразно разделить все известные системы на два вида:
1) с управлением форсунками по давлению (ECD, DDI);
2) с электронно-управляемыми форсунками (Common Rail).
Системы с управлением форсунками по давлению. Данные системы питания имеют по сравнению с механическими ТНВД электронную корректировку момента подачи топлива и ее продолжительности. При определении токсичности следует учесть влияние канала обратной связи по сигналам датчиков СО (некоторый аналог датчиков кислорода на бензиновых двигателях), а также фильтра для улавливания частиц сажи. Однако общий вид зависимостей, описывающих токсические характеристики, останется неизменным, изменятся, по описанным выше причинам, коэффициенты, входящие в эти уравнения. Количество выбросов вредных веществ на неустановившихся режимах, по аналогии с дизелями с механическими ТНВД, будет равно выбросам на сходных установившихся режимах, за исключением твердых частиц.
Системы с электронно-управляемыми форсунками (Common Rail). Системы типа Common Rail в настоящее время являются наиболее перспективными как в плане возможностей совершенствования экологических показателей автомобилей с дизельными двигателями, так и в плане улучшения тягово-динамических качеств автомобиля.
Данные системы осуществляют полный контроль за процессом сгорания, обеспечивая максимально быстрое управление количеством, моментом и порционностью подачи топлива с оперативным каналом обратной связи по каж-
дому цилиндру, а также минимально возможные выбросы вредных веществ, в первую очередь твердых частиц и окси-дов азота,
Проведенные исследования позволяют сделать вывод, что характеры изменения выбросов оксида углерода СО, суммарных углеводородов CmHn, оксидов азота NOx на неустановившихся режимах работы дизельного двигателя могут быть описаны математической моделью по сходным установившимся режимам. Расчет выбросов твердых частиц необходимо в математической модели корректировать с учетом неустановившихся режимов работы двигателя и движения автомобиля.
На рисунке показано относительное изменение выбросов твердых частиц на неустановившихся режимах GPM.H относительно сходных установившихся GPM.y, выраженное корректировочным коэффициентом КРМ = GPM.H / GPM.y в функции от относительного изменения мощности двигателя:
ANe _ N2 - N, N. N
е max е max
где Ni, N2 - мощность двигателя соответственно в начале и в конце режима разгона; Ne тах - максимальная мощность двигателя по техническим характеристикам.
Согласно рисунку относительное изменение выбросов твердых частиц имеет значительный разброс по различным маркам автомобилей и двигателей. В этом случае необходимо провести классификацию типов дизельных двигателей, принимавших участие в эксперименте. Так, все двигатели имеют неразделенные камеры сгорания, двигатели автомобилей Toyota Land Cruiser 80, Toyota Land Cruiser 100, Audi A6, Mercedes Benz E320 имеют системы турбонаддува, ко всему прочему двигатели автомобилей Toyota Land Cruiser 100, Audi Aó, Mercedes Benz E320 оснащены системами электронного управления топливным насосом высокого давления (ТНВД),
Таким образом, линия 1 аппроксимирует относительное изменение выбросов твердых частиц в функции от относительного изменения мощности для дизельного двигателя с неразделенными камерами сгорания, оснащенного турбо-наддувом и механическим ТНВД, линия 2 - дизельного двигателя с неразделенными камерами сгорания, без турбонаддува и с механическим ТНВД, а линия 3 - дизельного двигателя с неразделенными камерами сгорания, оснащенного турбонаддувом и электронноуправляемым ТНВД.
0,9 1 ANe у Nemax'
Относительное изменение выбросов твердых частиц в функции от относительного изменения мощности двигателя: ® - КамАЗ 5320;
А - МАЗ 500; А - Toyota Land Cruiser 80; О - Mercedes Bern E320 CDI; ^ - Audi A6 2,5 CDI; ■ - Toyota Land Cruiser 100.
1, 2,3 - аппроксимирующие линии
Исходя из этих данных, уравнение относительного изменения выбросов твердых частиц в функции от относительного изменения мощности
КРМ=1 + 1,488кккткэ^ — ,
р
vmax
где кт - коэффициент учета наличия турбонаддува; при наличии турбонаддува кт=3,120, при отсутствии кт=1,0; кэ -коэффициент учета наличия электронноуправляемого ТИВД; при его наличии кэ=0,385 - для ДВС с управлением форсунками по давлению, кэ=0,375 - для ДВС с электронноуправляемыми форсунками (Common Rail), при отсутствии электронноуправляемого ТНДВ кт=1,0; кК - коэффициент учета типа камеры сгорания. При неразделенных камерах кт=1,0; при разделенных камерах согласно [2] на неустановившихся режимах дизели выбрасывают примерно на 40% меньше твердых частиц, чем при неразделенных камерах.
Следовательно, в этом случае кт=0Д
Таким образом, при известных по стационарным режимам характеристикам часового расхода топлива, часового расхода воздуха и содержания токсичных компонентов в отработавших газах или величины выбросов вредных веществ можно определить данные величины и для неустановившихся режимов. При отсутствии токсических характеристик ДВС, представленных в массовых единицах выбросов вредных веществ, или при экспериментальном исследовании таких характеристик для каждого интервала разгона двигателя следует также определять массовые выбросы вредных веществ, отнесенные ко времени.
В случае представления токсических характеристик дизельного двигателя в виде концентраций токсичных компонентов в отработавших газах массовые выбросы вредных веществ можно определить по следующим методикам:
1. По зависимостям OCT 23.3.25-98Р для выбросов СО, CmHn и NOx .Для твердых частиц - согласно Правилам ЕЭК ООН №49-02 и 96.
2. По зависимости
Gxi = VMÄVxiPxi'
где Vor - расход отработавших газов, м3/ч. Данную величину при отсутствии возможности непосредственного замера можно определить как
Умд =
где Gß - часовой расход воздуха, кг/ч; ц - коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси.
Таким образом, математическая модель движения автомобиля с дизельным двигателем при исследовании экономических и экологических показателей движения состоит из уравнений, описывающих изменение параметров двигателя на различных режимах движения автомобиля. Токсические и экономические характеристики на установившихся режимах выражаются полиномиальными зависимостями, а на неустановившихся режимах корректировку требуют выбросы твердых частиц.
Библиографический список
1, Евтухов А,В, Расчетные методы определения массовых выбросов вредных веществ по расходу топлива автомобилей с бензиновыми двигателями в эксплуатационных условиях / Дисс, .,, канд, техн. наук, - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 1999. - 240 с.
2, Кульчицкий А.Р, Токсичность автомобильных и тракторных двигателей - Владимир: Владимирский гос, ун-т, 2000, - 256 с,
3, Автомобильный транспорт и защита окружающей среды / Малов Р.В., Ерохов В.И., Щетинина В.А., Беляев В, Б, - М,: Транспорт, 1982, - 200 с,
4, Говорущенко Н.Я, Экономия топлива и снижение токсичности на автомобильном транспорте, - М,: Транспорт, 1990, - 135 с,
. 5, Головных И,М. Резервы и методы топливосбережения при перевозках грузов автомобильным транспортом, - Иркутск: Изд-во ИрГТУ. - 1996. - 214 с,
6, Головных И.М., Евтухов A.B. Метод расчета выбросов вредных веществ с отработавшими газами автомобилей с бензиновыми двигателями по расходу топлива при исследовательских испытаниях II Вестник стипендиатов ДААД. Иркутский государственный технический университет, - 2001, - №1. - С. 19-27,
7, Двигатели внутреннего сгорания. Теория рабочих процессов / Луканин В.Н., Морозов К.А„ Хачиян К,А. и др.; Под ред, В.Н. Луканина. - М.: Высш. шк, В 3-х кн, - 1995. - Кн. 1. - 368 е.; Кн, 2, - 319 с,; Кн, 3, - 256 с.
8, Снижение вредных выбросов автомобиля в эксплуатационных условиях / Ю.Ф. Гугаревич. - К.: Выща шк., 1991. - 179 с.
9, Головных И.М„ Евтухов А.В, Моделирование расхода топлива и выбросов вредных веществ на неустановившихся режимах работы двигателя при движении автомобиля II Тезисы докладов научно-практической конференции ИрГТУ. - Иркутск, - 1998, - С, 15-19,
