CC BY
7УДК 662.758.2
ОБЗОР СПОСОБОВ ОПТИМИЗАЦИИ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАБОТЫ ДЭС И СОСТАВА ДСТ
Садов Артем Александрович - старший преподаватель кафедры технологических и транспортных машин ФГБОУ ВО Уральский ГАУ.
(620075 Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, д. 42 тел. 8-996-187-9731, Е-mail: artemsadov@yandex. ru)
Новопашин Леонид Алексеевич - кандидат технических наук, доцент заместитель декана факультета инженерных технологий по научной работе ФГБОУ ВО Уральский государственный аграрный университет.
(620075 Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, д. 42 тел. +7 (343) 371-33-63, E-mail: novopashin-leonid@ya.ru)
Денежко Любовь Васильевна, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВО Уральский
ГАУ
(620075 Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, д. 42 тел. +7 (343) 371-33-63, E-mail: denejko@yandex.ru)
Рецензент: Носырев М. Б., доктор технических наук, профессор, почетный работник высшего профессионального образования Российской Федерации, профессор ФГБОУ ВО Уральский ГАУ
(620075 Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, д. 42 тел. 8 (343) 22240-00, Е-mail: nosyrev.mb@mail.ru)
Ключевые слова: оптимизация, обзор методик, дизельное смесевое топливо, биодизель, дизельная электростанция, мощностные, топливно-экономические показатели работы, выбросы вредных веществ. Анотация
Проведенный анализ научной литературы показывает, что применение дизельного смесевого топлива на основе рицинового масла и биоэтанола производимого из клещевины пригодно к применению в качестве топлива в дизельных электростанциях и является перспективным направлением в связи с проводимой политикой диверсификации.
Проведенные поисковые исследования позволяют сделать вывод, что над вопросом оптимизации процесса работы ДВС и ДЭС работает большое колличество ученых таких как Марков В.А., Тарлаков Я.В., В данной статье расматривается опыт данных ученых по процессу оптимизации работы двигателей внутреннего сгорания и дизельной электростанции с точки зрения экологических и топливно-мошностных показателей. По результату сделаны выводы и прдложен вектор дальнейших исследований, связанных с оптимизацией состава смеси согластно физико-химическим показателям элементов применяемых в биотопливе, то есть плотности,
вязкости и цетановом числе, с целью предварительной отбраковки непригодных смесей к исследованию.
REVIEW OF METHODS OF OPTIMIZATION OF INDICATORS OF WORK OF DES AND
THE COMPOSITION OF DST
Sadov A.A. — senior lecturer department of technological and transport machines, Ural state agrarian University
(620075 Sverdlovsk region, Yekaterinburg, Karl Libknecht str., 42 tel. +7 996-187-9731, E-mail: artemsadov@yandex. ru)
L.A. Novopashin, candidate of technical sciences, associate professor, Ural State Agrarian University
(620075 Sverdlovsk region, Yekaterinburg, Karl Libknecht str., 42 tel. +7 (343) 371-33-63, Email: novopashin-leonid@ya.ru)
L.V. Denezhko, candidate of technical sciences, associate professor, Ural State Agrarian University
(620075 Sverdlovsk region, Yekaterinburg, Karl Libknecht str., 42 tel. +7 (343) 371-33-63, Email: denejko@yandex.ru)
Reviewer: M. B. Nosyrev, doctor of technical Sciences, Professor, honorary worker of higher professional education of the Russian Federation, Professor of Ural state UNIVERSITY (620075 Sverdlovsk region, Yekaterinburg, Karl Liebknecht str., 42 tel. 8 (343) 222-40-00, E-mail: nosyrev.mb@mail.ru)
Keywords: optimization, review of methods, diesel mixed fuel, biodiesel, diesel power plant, power, fuel and economic performance indicators, emissions of harmful substances.
Summary
The analysis of the scientific literature shows that the use of diesel mixed fuel based on ricin oil and bioethanol produced from castor oil is suitable for use as fuel in diesel power plants and is a promising area in connection with the diversification policy.
Conducted exploratory studies allow us to conclude that a large number of scientists such as Markov V.A., Tarlakov Y.V. are working on the issue of optimizing the operation of internal combustion engines and diesel engines. This article discusses the experience of these scientists on the process of optimizing the operation of internal combustion engines and diesel power plants in terms of environmental and fuel-related indicators. Based on the result, conclusions are drawn and a vector of further studies is proposed related to optimizing the composition of the mixture according to the physicochemical parameters of the elements used in biofuels, i.e. density, viscosity and cetane number, with the aim of preliminary screening of unsuitable mixtures for research.
Рассматривая процесс применение дизельного смесевого топлива приводит к вопросу оптимизации работы двигателя внутреннего сгорания дизельной электростанции с таких точек
зрения как при мощностные, топливно-экономические показатели работы, выбросы вредных веществ и дымность отработавших газов дизельной электростанции при работе на различных смесевых топливах. В работах ученых [1,2,3,4,5,6] рассмотрены критерии оптимальности, учитывающий основные параметры и характеристики, полученные в ходе эксплуатации ДЭС. В работе [1] рассматривается целевая функция для оптимизации, которая представляет собой ряд функциональных зависимостей экологически вредных выбросов от генерируемой мощности дизельной электростанции и состава смесевого топлива и представлена следующим образом:
Fi(xi,x2) = yn Fi(Xl;X2) л (1.1)
где Fi(x1,x2)- функция количества выброса i-го экологически вредного
вещества,
Pimax(x1,x2)- максимально допустимое количество выброса i -го вредного вещества, определяемое регламентами Евростандарта.
Естественным требованием для данной целевой функции будет требование ее минимизации, то есть автором было предложено [1]:
Fi(xi,X2) = У F Ft(x£2l . — rnin (1.2)
¿—¡1=0 timax(xl,x2J
при заданных ограничениях по экологическим стандартам по максимально допустимым выбросам. Это ограничение приводит к определению границы допустимых изменений параметров.
То есть условие
FiCxi,*2) ^ i любого i-го вредного вещества (1.3)
Fimax\xl>x2)
определяет все допустимые режимы работы дизельного двигателя или невозможность его использования при выполнении условия
Fi(xi,x2) > i для какого-либо одного вредного вещества (1.4)
Fimax\xl>x2)
здесь учитывается возможность зависимости функции от нескольких параметров в исследованиях автора [1] учитывались такие параметры как процентное содержание биодобавок в дизельном топливе и общий расход топлива, приходящийся на один киловатт мощности, генерируемой двигателем.
При оптимизации работы ДЭС с целью снижения расхода топлива при учете экологических требований Евростандартами для эксплуатации дизельных двигателей автором работы [Ошибка! Закладка не определена.] выбрана функция расхода топлива, которая существенно нелинейным образом зависит от процентного содержания биодобавок к дизельному топливу X1 и мощности Х2.
F2(x1,x2) = D(x1,x2) — min (1.5)
С целью определения оптимальных значений целевой функции внутри допустимой
области изменения параметров используется Тарлаковым Я.В.
(И. ¡(х-,,х?)<Ь; „ „
{ \ Л П=1....т) (1.6)
1х1>0,х2>0 и у ' у
(требование не отрицательности всех параметров является естественным ограничением)
нахождение решения сводится к следующей системе дифференциальных уравнений в частных
= 0
= 0, И = 1.....т), (1.7)
производных:
дР2(х1,х2) _ дР(х1,х2)
дР2(х1,х2) _ ЭР(Х1,Х2)
И(Х1,Х2) < Ь] ^ > 0,х2> 0
Если целевая функция имеет минимальное значение на границе допустимой области, то в качестве метода нахождения условного экстремума автором [1] был выбран метод множителей Лагранжа.
Функция Лагранжа выглядит следующим образом:
Р2(х2,х2,Л]) = й(х1,х2) + 1,7Р=1Л](И(Х1,Х2) - Ь}) (1.8)
Б(х1,х2)- общий расход топлива,
А] - числа, называемые множителями Лагранжа,
И(х1,х2) = Ьу - система уравнений (условия), которым удовлетворяют переменные х1,х2,
т - количество таких условий.
Система уравнений для нахождения условного экстремума такова
Сдр2 _ ЭР ут д Э1г1 _ в дх1 дх1 ¿-'1 = 1 1 дх1
др2 _ др ^ ут д д1 _ в
дх2 дх2 ¿-'1 = 1 1 дх2
< Щ = ¥Х1,Х2)-Ь< = 0 (19)
х1>0,х2>0
-О' = 1 — .т)
Приведенные выше автором [1] модели показывают, что подход к решению задачи оптимизации за счет методов нелинейного математического программирования позволяет определять оптимальные параметры работы двигателя внутреннего сгорания и установить взаимосвязь отдельных характеристик, их влияние.
Кроме этого, необходимо расмотрение таких методик как в изложенных трудах [5,6] где предложены три методики оптимизации состава смесевого топлива.
В первой методике Марковым В.А. рассматривается обобщенный критерий оптимальности /о формируется в виде произведения двух частных критериев. В качестве критерия топливной экономичности ]Г)е принят эффективный КПД двигателя, а в качестве критерия токсичности ОГ
}' иох - выброс наиболее значимого токсичного компонента ОГ - оксидов азота. Такой обобщенный критерий оптимальности выглядт следующим образом (1.10):
h=Jr,Jsox=n-f-r2*L (1.10)
'е x Vei CN0XPJ
где и CNOxpr - эффективный КПД и концентрация оксидов азота в ОГ дизеля,
работающего на нефтяном ДТ; qei и CNOxi - эффективный КПД и концентрация оксидов азота в ОГ дизеля, работающего на смесевом топливе i-того состава. Этот обобщенный критерий оптимальности отличается простотой и сравнительно небольшим объемом необходимых расчетов, но не учитывает выброс ряда нормируемых токсичных компонентов - монооксида углерода CO, несгоревших углеводородов CHx и сажи С
Во второй методике авторами в работах [4,5,6] расматривается обобщенный критерий оптимальности Jо формируется в виде суммы частных критериев, характеризующих топливную экономичность Jhe , выброс с ОГ оксидов азота JNOx, монооксида углерода JCO, несгоревших углеводородов JCHx, а также дымность ОГ
Jo = Jve +JNOx +JcO +JcHx + hx = ^ + ^ + + ^L + (1.Ц)
le x x x Vei CN0XPJ CC0 дт ССНХДТ Kx дт
где CCO дт, CCH дт , Кхдт - концентрации монооксида углерода и углеводородов в ОГ дизеля, работающего на ДТ, а также дымность его ОГ;
CCO i, CCHxi , Кх i - концентрации монооксида углерода и углеводородов в ОГ дизеля, работающего на смесевом топливе i-того состава, а также дымность его ОГ.
Третья методика в работах [4,5,6] предусматривает формирование обобщенного критерия оптимальности J0 в виде суммы частных критериев, аналогичной выражению (1.11), но вводятся весовые коэффициенты, характеризующие значимость каждого из слагаемых:
Jo = ave Jve + aNOx Jnox + aCOJcO + aCHx JcHx + aKx ]xx=ave ~VT~ + aNOx ~ + aCO с ^ ' +
Vei x CN0XPT CC0
дт
аСНх-^+аКх^ (1.12)
х ССНХДТ х Кхдт
При этом весовой коэффициент а^е , характеризующий эффективный КПД, принят равным единице, а весовые коэффициенты аЫОх, аСо, аСНх , характеризующие выброс нормируемых токсичных компонентов, определялись в виде отношений действительной эмиссии токсичных компонентов ОГ дизеля, работающего на ДТ ( еКОх, еСО , еСНх ), к предельным величинам эмиссии, определяемым нормами на токсичность ОГ
а*ох=^ (1.13)
х емОх пр
асо=^СО- (1.14)
еСОпр
аСНх =ееН- (115)
еСНх пр
Весовой коэффициент частного критерия дымности ОГ аКх определялся в виде отношения дымности ОГ Кх дизеля, работающего на ДТ на режиме максимального крутящего момента, к предельному значению дымности ОГ Кх пр дизеля на этом режиме, определяемому нормами на дымность ОГ:
аК = — (1.16)
К Кхпр V '
Как и в выражении (1.11), в третьей методике последнее слагаемое в выражении для J 0 учитывалось лишь на режимах ВСХ, а на режимах с неполной нагрузкой обобщенный критерий оптимальности /0 выражения (1.12) включает лишь первые четыре слагаемые.
Авторы изложенных методик [1,2,3,4,5,6] широко рассматривают процессы оптимизации со стороны эксплуатационных показателей двигателя ориентируясь на состав отработанных газов, расход топлива и выходной мощности, при этом не рассматривается разнородность по физико-химическим показателям элементов применяемых в биотопливе, то есть плотности, вязкости, цетановом числе и не учитывает входную пригодность исследуемой смеси к проведению будущих экспериментальных стендовых и эксплуатационных исследований. Данные методики подразумевают априори что данная смесь пригодна и может применяться на ДВС. Это говорит о необходимости проведения оптимизации после предварительных экспериментальных исследований и не может быть применима при поисковых теоретических исследованиях.
По результату поисковых исследований нами было уделено внимание такому вопросу как оптимизация состава смеси согластно физико-химическим показателям элементов применяемых в биотопливе, то есть плотности, вязкости и цетановом числе, так как основываясь на прерыдушие статьи [7,8,9], при расчета рабочего цикла двигателя необходимо учитывать и разнородность исходного сырья не только со стороны элементарного состава но и физических особенной таких как вязкость, плотность, иодное число и другие.
Библиографический список
1. Тарлаков Я.В. Эксплуатационные показатели дизельных электростанций лесного комплекса при работе на биотопливе: дис. канд.тех. наук. Московский. Гос. Университет леса, Москва, 2013.
2. Кольниченко Г.И., Тарлаков Я.В., Сиротов А.В. Биоэнерготехнологии и лесопромышленный комплекс // Вестник МГУЛ - Лесной вестник. 2017. №5. URL: https://cyberleninka.rU/article/n/bioenergotehnologii-i-lesopromyshlennyy-kompleks (дата обращения: 17.04.2020).
3. Кольниченко Г.И., Сиротов А.В., Тарлаков Я.В. Выбор рациональных режимов ДЭС, работающих с учетом ограничений по экологическим евростандартам // Вестник МГУЛ - Лесной вестник. 2014. №2 (101). URL: https://cyberlemnka.ru/artide/n/vybor-ratsionalnyh-rezhimov-des-rabotayuschih-s-uchetom-ogranicheniy-po-ekologicheskim-evrostandartam (дата обращения: 17.04.2020).
4. Марков Владимир Анатольевич, Девянин Сергей Николаевич, Быковская Лариса Игоревна Оптимизация состава многокомпонентных смесевых биотоплив для дизельных двигателей сельскохозяйственных машин // Известия вузов. Машиностроение. 2013. №12. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/optimizatsiya-sostava-mnogokomponentnyh-smesevyh-biotopliv-dlya-dizelnyh-dvigateley-selskohozyaystvennyh-mashin (дата обращения: 17.04.2020).
5. Марков Владимир Анатольевич, Маркова Вера Владимировна, Сивачёв Владислав Максимович, Сивачёв Станислав Максимович Оптимизация состава смесевых биотоплив на основе растительных масел для дизельных двигателей // NBI-technologies. 2014. №4. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/optimizatsiya-sostava-smesevyh-biotopliv-na-osnove-rastitelnyh-masel-dlya-dizelnyh-dvigateley (дата обращения: 17.04.2020).
6. Марков Владимир Анатольевич, Девянин Сергей Николаевич, Каськов Сергей Иосифович Оптимизация состава смесей нефтяного дизельного топлива с растительными маслами // Известия вузов. Машиностроение. 2016. №7 (676). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/optimizatsiya-sostava-smesey-neftyanogo-dizelnogo-topliva-s-rastitelnymi-maslami (дата обращения: 17.04.2020).
7. Новопашин Л.А., Панков Ю.В., Денежко Л.В., Садов А.А. Растительные масла, жирные кислоты, биодизель // Екатеринбург. - 2019. - c. 191
8. Садов А.А., Денежко Л.В., Новопашин Л.А. Теоретическое исследование показателей работы тракторного дизеля при применении дизельного смесевого топлива на основе рицинового масла // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. 2019. № 2. С. 71 -74.
9. Денежко Л.В., Новопашин Л.А., Садов А.А. Теоретическое исследование показателей дизеля дизельной электростанции при использовании МДСТ на основе биоэтанола и масла // Научно-технический вестник технические системы в АПК. 2019. № 4 (4). С. 65-75.
Bibliographic list
1. Tarlakov Ya.V. Performance indicators of diesel power plants of the forest complex when working on biofuels: dis. Ph.D. sciences. Moscow. Gos. Forest University, Moscow, 2013.
2. Kolnichenko G.I., Tarlakov Y. V., Sirotov A.V. Bioenergy technologies and timber industry complex // Vestnik MGUL - Forest Gazette. 2017. No5. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/bioenergotehnologii-i-lesopromyshlennyy-kompleks (accessed: 04.17.2020).
3. Kolnichenko G. I., Sirotov A. V., Tarlakov Y. V. The choice of rational modes of DES working with restrictions on environmental European standards // Vestnik MGUL - Lesnoy vestnik. 2014. No2 (101). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/vybor-ratsionalnyh-rezhimov-des-rabotayuschih-s-uchetom-ogranicheniy-po-ekologicheskim-evrostandartam (accessed: 04.17.2020).
4. Markov Vladimir Anatolyevich, Devyanin Sergey Nikolaevich, Bykovskaya Larisa Igorevna Optimization of the composition of multicomponent mixed biofuels for diesel engines of agricultural
machines // News of universities. Engineering. 2013. No. 12. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/optimizatsiya-sostava-mnogokomponentnyh-smesevyh-biotopliv-dlya-dizelnyh-dvigateley-selskohozyaystvennyh-mashin (accessed: 04.17.2020).
5. Markov Vladimir Anatolyevich, Markova Vera Vladimirovna, Sivachev Vladislav Maksimovich, Sivachev Stanislav Maksimovich Optimization of the composition of mixed biofuels based on vegetable oils for diesel engines // NBI-technologies. 2014. No4. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/optimizatsiya-sostava-smesevyh-biotopliv-na-osnove-rastitelnyh-masel-dlya-dizelnyh-dvigateley (accessed: 04.17.2020).
6. Markov Vladimir Anatolyevich, Devyanin Sergey Nikolaevich, Kaskov Sergey Iosifovich Optimization of the composition of mixtures of oil diesel fuel with vegetable oils // News of universities. Engineering. 2016. No7 (676). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/optimizatsiya-sostava-smesey-neftyanogo-dizelnogo-topliva-s-rastitelnymi-maslami (accessed: 04.17.2020).
7. Novopashin L.A., Pankov Yu.V., Denezhko L.V., Sadov A.A. Vegetable oils, fatty acids, biodiesel // Ekaterinburg. - 2019 .-- c. 191
8. Sadov A.A., Denezhko L.V., Novopashin L.A. Theoretical study of performance indicators of tractor diesel when using diesel mixed fuel based on ricin oil // Bulletin of the Samara State Agricultural Academy. 2019.No 2.P. 71-74.
9. Denezhko L.V., Novopashin L.A., Sadov A.A. A theoretical study of the performance of a diesel diesel power plant using MDST based on bioethanol and oil // Scientific and Technical Bulletin Technical Systems in the AIC. 2019.No 4 (4). S. 65-75.
