CC BY
11
Список лтератури
1. Тепловоз ЧМЭ3, ЧМЭ3Т: Пособие машинисту. - М.: Транспорт, 1990. -
381с.
2. Нотик З. X. Тепловозы ЧМЭ3, ЧМЭ3Т, ЧМЭ3Э: Пособие машинисту. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Транспорт, 1996. 444 с.
3. Варакин А.И., Варакин И.Н., Менухов В.В. Применение электрохимических конденсаторов в составе гибридных силовых установок маневровых и магистральных тепловозов // НТТ, 2007, № 2.
УДК 621.311.23:662.216.3
ЧернякЮ.В., к.т.н. (ДонИЖТ) Гущин А.М., к.т.н. (ДонИЖТ) Дорошко В.И., зав.лаб. (ДонИЖТ) Бондарь Е.А., зав. лаб. (ДонИЖТ) Трубихин О.В., гл.специалист (ЗАО «Донецк-сталь-МЗ»)
ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ГАЗОВЫХ КОМПОНЕНТОВ В ОТРАБОТАВШИХ ГАЗАХ ДВС ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ГАЗОВЫХ
БАЛАНСОВЫХ УРАВНЕНИЙ
Постановка вопроса. В процессе испытаний ежекторного устройства количество подсасываемого газа может определяться по балансу отдельных газовых компонентов: кислорода О2, окиси углерода СО, окиси азота N0.
Поскольку не всегда удается производить измерения концентраций газовых компонентов в разных пунктах газового тракта одновременно, то необходимо знать характер изменения их после включения двигателя или после изменения режима его работы. В известной нам литературе нет достаточной информации о динамике образования отдельных газовых компонентов при включении двигателя или изменении режима его работы. Поэтому в настоящей работе ставится задача изучить динамику образования отдельных газовых компонентов при включении двигателя внутреннего сгорания или изменения режима его работы с тем, чтобы по результатам этих исследований можно было выбрать те газовые
компоненты в отработавших газах, по которым можно строить балансовые уравнения, а также определять порядок производства измерений.
Основная часть. Для решения поставленной задачи были выполнены 4 эксперимента, в которых двигатель внутреннего сгорания изменял режим своей работы. После каждого изменения режима работы двигателя на протяжении некоторого отрезка времени в отработавших газах изменялись концентрации кислорода О2, окиси углерода СО, окиси азота N0. Одновременно измерялись расходы топлива путем непрерывного (через 10 сек) измерения массы топлива в сосуде, из которого оно подавалось в двигатель. Для измерения концентрации компонентов использовался газоанализатор MSI 150 EURO (немецкого производства) фирмы MSI Elektronik, который за время измерений в течение 45 мин мог накапливать информацию, а затем эту информацию переносили на персональный компьютер. Мощность двигателя изменялась путем изменения цикловой подачи топлива при неизменной частоте вращения коленчатого вала двигателя 1500 об/мин. Предварительный анализ результатов измерений показывал, что концентрация газовых компонентов СО, N0, N02 зависит от концентрации кислорода. При этом, чем выше концентрация кислорода, тем выше концентрация окислов N0 и N02 и тем ниже концентрация окиси углерода СО. Характер изменения концентраций окислов N0 и N02 одинаков, однако уровень концентрации N02 в несколько раз меньше, поэтому для расчета газовых балансов целесообразно использовать данные о концентрациях кислорода или окиси углерода СО, или окиси азота N0.
Изменение именно этих газових компонентов в отработавших газах будет исследовано в излагаемых ниже результатах экспериментов. В эксперименте от 12.07.07 двигатель работал непрерывно в течении 17 минут (10 ч 14' ... 10 ч 33'). Данные о концентрациях газовых компонентов приведены на рисунке 1.
Из приведеного рисунка видно, что концентрация кислорода в отработавших газах изменялась в пределах от 17,3 до 18,0%. За это время концентрация углерода непрерывно знижалась от 0,147 до 0,074%. То-есть уменьшалась примерно в 2 раза. Концентрация окиси азота N0 при этом увеличивалась от 0,0101 до 0,0161% - в 1,6 раза.
При этом на последнем участке наблюдений в течении примерно 7 мин (от 10ч 26мин 36' до 10ч 33 мин 29') концентрация кислорода была неизменной (18%), а концентрация окиси углерода уменьшалась от 0,0845 до 0,0741, то-есть в 1,14 раза, а концентрация окиси азота повышалась от 0,0157 до 0,0168%, то-есть увеличивалась в 1,07 раза.
Рисунок 1 - Динамика газовыделений от 12 07.2007
Из приведенных данных следует, что после включения двигателя внутреннего сгорания концентрация окислов углерода СО и азота КОх изменяются на протяжении значительного отрезка времени - в данном эксперименте в течение 17 мин.
Если учесть известную закономерность, что чем выше температура в зоне горения, тем выше концентрация окислов азота и тем ниже концентрация окиси углерода [1], то из данных приведенных выше
эксперимента можно заключить, что температура продуктов сгорания в цилиндре в течении эксперимента повышалась. Концентрация кислорода во время наблюдений изменялась незначительно. Следовательно цикловая подача топлива изменялась мало, мало изменялась также и выделение теплоты сгорания топлива. Повышение температуры газов в цилиндре может быть объяснено уменьшением потерь теплоты с охлаждающей водой и смазочно-охлаждающей жидкостью. А последнее можно объяснить постепенным прогревом этих жидкостей.
Секундный расход топлива (солярового масла) во время эксперимента изменялся от 1,6 ... 1,7 до 1,3 г/с. При этом первых 10 мин наблюдений из-за малых расчетных отрезков времени не наблюдается четкой зависимости между секундным расходом топлива и концентрацией кислорода в продуктах сгорания.
На последних 7 минутах при неизменной концентрации кислорода наблюдается понижение расхода топлива. Объясняется это, как показано выше. Прогревом охлаждающих жидкостей и уменьшением стока теплоты в эти теплоносители.
В эксперименте №2 от 1.12.07 двигатель работал с перерывами 7, 20 и 26 минут. Эксперимент проводился в зимнее время, охладитель воды размешался в помещении с температурой около 0оС. Результаты эксперимента представлены на рисунке 2.
По сравнению с рисунком 1, когда эксперимент проводился в летнее время, во втором эксперименте наблюдается более высокие концентрации окиси углерода и более интенсивное её изменение во времени.
Максимальная концентрация окиси углерода в этом эксперименте составляет 0,2% против 0,147% в летнее время. Это можно объяснить тем, что в начальный момент включения двигателя в него поступает более холодная вода по сравнению с летним периодом, она отнимает больше теплоты от продуктов сгорания и сильнее их охлаждает, что и приводит к росту концентрации окиси углерода.
Двигатель во втором эксперименте работал с перерывами и имело место 4 цикла наблюдений.
16 17 18 19 20 21 22 2329 30 31 32 33 34 59 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 29 30 31 32 33 34 мин.
11
12
СО
N0
О
Рисунок 2 - Динамика газовыделений от 01.12 2007
Концентрации кислорода в этих циклах изменялись незначительно и находились в пределах 17,5...18,3%. Характерным для данного эксперимента было уменьшение максимальной концентрации окиси углерода в каждом последующем цикле.
Так, в первом цикле наблюдений максимальная концентрация СО составляла 0,2217;, во втором цикле - 0,1934%; в третьем - 0,184%; в четвертом - 0,1673%. При этом за одинаковый интервал времени после выхода на максимальные концентрации СО, равный 4 мин, темп падения концентрации окиси углерода СО в первом цикле составляла в среднем 0,0302% в мин [(2217-1010) :4]; во втором цикле - 0,0276% в
мин[(1934-830) :4]; в третьем цикле - 0,0258% в мин [(1848-815) :4]; в
четвертом цикле - 0,0249% в мин [(1673 - 675): 4].
Таким образом, в каждом последующем цикле наблюдений снижались не только значения максимальной концентрации окиси углерода СО, но и темп падения этой концентрации.
Более высокие значения максимальных концентраций окиси углерода в зимнее время может быть объяснено тем, что охлаждающая вода в зимнее время более холодная, она отнимает от продуктов сгорания больше теплоты и больше их охлаждает.
Понижение максимальных значений окиси углерода в каждом последующем цикле наблюдений может говорить о том, что охлаждающая вода и смазочно-охлажадающая жидкость прогреваются на данном дизеле значительное время - один час и более. При этом время прогрева этих жидкостей будет зависеть не только от температуры окружающей среды, в которой эти жидкости охлаждаются, но и от состояния теплообменников. Длительный период прогрева жидкостей может говорить о засоренности теплообменных поверхностей.
Очевидно, что чем холоднее вода и смазочно-охлажадающая жидкость, тем больше теплоты отнимается от горячих газов в цилиндре. Тем больше необходимо расходовать топлива на поддержание заданной мощности дизельгенераторной установки.
Сравним расходы топлива в каждом цикле за один и тот же отрезок времени после достижения максимума концентрации окиси углерода СО в отработавших газах.
Из рисунка 2 видно, что за такой интервал времени можно принять 4 минуты.. В первом цикле за время 4 минуты от 11 часов 16 минут 20 секунд до 11 часов 20 минут 20 секунд расход топлива составил г. Во втором цикле за тоже время 4 минуты от 11 часов 30 минут до 11 часов 34
минуты расход топлива составил г, в третьем цикле за интервал времени от 12 часов 00 минут 20 секунд до 12 часов 04 минут 20 секунд расход топлива составил г, а в четвертом цикле за время от 12 часов 29 минут 40 секунд до 12 часов 33 минут 40 секунд - г.
Окись азота N0 в каждом цикле возрастала и за время наблюдений до 8 минут (цикл 3) стабилизация её концентрации не была достигнута, это говорит, что за данный интервал времени стабилизация теплообмена в цилиндре не достигается.
Концентрация кислорода в отработавших газах, как и в первом эксперименте, стабилизируется достаточно быстро.
Следующий эксперимент был проведен для случая, когда мощность дизель-генераторной установки изменялась без остановки дизеля путем изменения цикловой подачи топлива. Результаты эксперимента представлены на рисунке 3. Эксперимент проводился в летнее время года 20.08.07. Было выполнено три цикла наблюдений. В первом цикле концентрация кислорода в отработавших газах составляла 17,9%, во втором - 15,6.16,1%, в третьем цикле - 17,8.17,9%, то-есть концентрация кислорода в первом и третьем циклах были практически одинаковы.
Анализ данных эксперимента 3 подтверждает выше отмеченные закономерности: с понижением концентрации кислорода и соответствующим повышением температуры газов в цилиндре концентрация окиси углерода СО убывает, а концентрация окиси азота N0 возрастает. Концентрация кислорода в каждом цикле наблюдений стабилизируется достаточно быстро: за время 20.40 секунд.
В третьем цикле наблюдений концентрация кислорода в отработавших газах была примерно такой же, как и в первом цикле и составляла 17,8.17,9%, но уровень концентрации окиси углерода в третьем цикле был ниже, чем в первом, а концентрация окиси азота была более высокой. Это говорит о том, что температура газов в цилиндре во время третьего цикла наблюдений была выше, чем в первом цикле. Объяснить это при одинаковой концентрации кислорода можно лишь тем, что в третьем цикле наблюдений от газов в цилиндре отводилось меньше теплоты, чем в первом цикле, а последнее можно, как и в предыдущих экспериментах, объяснить повышением температуры охлаждающей воды и смазочно-охлаждающей жидкости.
Из рисунка 3 следует, что стабилизация окиси углерода достигается примерно за 6 минут, а окиси азота - за 6-8 минут. Концентрация кислорода стабилизируется за 20..40 минут.
02, % 900
800 700 600 500 400 300 200 100
- —\ \ ____
- \ V г
- ----
—1—
сек.
37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56
N0--СО ---О:
Рисунок 3 - Динамика газовыделений от 20.08.2007
Сравнение расходов топлива по трем циклам наблюдений показывает следующее: за общий интервал времени 5 минут 20 секунд расход топлива в первом цикле за время от 12 часов 36 минут 5 секунд до 12 часов 41 минута 25 секунд составлял 474 г. Во втором цикле за время от
12 часов 43 минут 40 секунд ло 12 часов 49 минут - 818 г, в третьем цикле за время о 12 часов 49 минут 35 секунд до 12 часов 54 минут 55 секунд -470г. Таким образом, при одинаковой мощности двигателя в первом и третьем циклах расход топлива в третьем цикле был несколько меньше, а концентрация окиси азота была большей, и в этом случае прослеживается влияние прогретости охлаждающей воды и смазочно-охлаждающей жидкости на расход топлива и на концентрацию окислов углерода и азота.
В четвертом эксперименте от 12.07.07 выполнен ряд изменений мощности двигателя за интервал времени от 12 часов 46 минут 50 секунд до 13 часов 14 минут. Данные рисунка 4 подтверждают ранее сделанные выводы о сравнительно быстрой стабилизации концентрации кислорода в отработавших газах, о резком уменьшении концентрации окиси углерода и увеличении концентрации окиси азота после включения двигателя, об уменьшении концентрации окиси углерода и увеличении окиси азота при увеличении мощности, об увеличении концентрации окиси углерода и уменьшении концентрации окиси азота при уменьшении мощности двигателя. Сравнение концентраций окиси углерода и окиси азота за отрезки времени от 12 часов 46 минут 40 секунд до 12 часов 50 минут и от
13 часов 07 минут 30 секунд до 13 часов 12 минут показало, что во втором цикле концентрация окиси углерода меньше, чем в первом цикле. Так в первом цикле она была в пределах 0,134.0,1%, а во втором цикле - в пределах от 0,06 до 0,08%. Концентрация окиси азота повышалась при этом от 0,007.0,011 в первом цикле до 0,026.0,0018%.
Приведенные данные подтверждают ранее сделанный вывод о том, что в процессе работы двигателя повышается температура охлаждающей воды и смазочно-охлажадающей жидкости, что приводит к уменьшению тепловых потерь продуктами сгорания, повышению температуры газов и к уменьшению уровня концентрации окиси углерода и повышению концентрации окиси азота. Это подтверждается тем, что например, уровень концентрации окиси углерода в отрезке времени от 13 часов 07 минут 30 секунд до 13 часов 12 минут ниже, чем в отрезке времени от 12 часов 46 минут 40 секунд до 12 часов 50 минут.
СО II ГЧОх, ррт
50 150 250 350 450 550 650 750 850 950 1050 1150 1250 1350 1450 1550 1650
Рисунок 4 - Динамика газовыделений от 12.07.2007
Выводы. По результатам 4-х экспериментов можно сделать ряд выводов:
1. При включении двигателя через 10.20 секунд концентрация окиси углерода достигает максимального значения, затем она уменьшается по закону, близкому к гиперболическому, примерно через шесть минут концентрация окиси углерода стабилизируется. Концентрация окиси азота после включения двигателя имеет минимальное значение, а затем её значение увеличивается и стабилизируется через 6.8 минут.
2. После увеличения мощносит двигателя путем увеличения цикловой подачи топлива концентрация окиси углерода резко уменьшается, а концентрация окиси азота увеличивается, стабилизация концентрации этих окислов достигается за 6.8 минут. При уменьшении мощности двигателя имеют место обратные зависимости: концентрация окиси углерода возрастает, концентрация окиси азота убывает.
3. Наиболее вероятной причиной изменения концентрации окислов углерода и азота по пп. 1 и 2 является достаточно медленный прогрев охлаждающей воды и смазочно-охлажадающей жидкости при включении двигателя и при увеличении его мощности и достаточно медленное охлаждение этих жидкостей при уменьшении мощности двигателя и соответствущем изменении потерь теплот о продуктов сгорания в цилиндре двигателя и изменнии их температуры.
4. При включении двигателя и изменении его мощности стабилизация концентрации кислорода в отработавших газах достигается за 20.40 секунд.
5. При решении задач газового баланса отработавших газов с воздухом в основу построения балансовых уравнений следует принимать кислород. Если же в основу построения балансовых уравнений принимать окиси углерода СО или окиси азота N0, то измерение концентраций этих газов следует начинать через 6..8 минут после включения двигателя или после изменения его мощности.
Список литературы
1. Влияние работы тепловозов при их реостатных испытаниях на приземную концентрацию вредных веществ /Ю.В.Черняк, О.В.Трубихин, Е.А.Бондарь - Вюник ДонНАСА, Вип..2005-7(55), стр.97-100.
