Практические рекомендации по использованию результатов компьютерного моделирования рабочего процесса ДВС Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.43/.512]:519.6

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ РЕЗУЛЬТАТОВ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ДВС

© 2006 г.

Ранее, в работе [1], были показаны возможности исследовательского варианта АС ENGINE [2], позволяющие решать с ее помощью разнообразные исследовательские задачи, в частности, оптимизацию рабочего процесса ДВС, вопросы диагностики, факторного анализа и ранжирования протекающих процессов, применения альтернативных топлив и снижения токсичности отработанных газов (ОГ). В настоящей статье представлены некоторые результаты модельных расчетов и показаны перспективы их использования на практике.

Альтернативные топлива

Программная реализация имитационной математической модели, реализованной в виде АС ENGINE, позволяет осуществлять расчеты рабочих процессов двигателей на различных органических топливах. Из компьютерной базы данных выбирается тип двигателя и топлива, причем программный продукт позволяет производить оптимизацию по ряду показателей работы ДВС: мощность, удельный расход топлива, коэффициент полезного действия, совокупный показатель вредности выхлопных газов, химический состав ОГ, эколого-экономический коэффициент. Осуществляемый в настоящее время поиск экологически чистых топлив на наземном транспорте заставляет различных

Эколого-экономические показатели дизеля 10Д100 пр]

(номинальный

О.И. Булыгин

исследователей искать наиболее перспективные комбинации и новые виды топлив. В работе произведена оценка энерго-экологических и экономических характеристик тепловозного дизеля 10Д100 при переводе его на различные альтернативные топлива. Расчеты проводились с использованием программы ENGINE. В качестве исходных значений были взяты паспортные данные на тепловозный дизель 10Д100 при номинальном режиме работы. Химический состав применяемых топлив соответствовал данным ГОСТ на топлива. При расчетах были получены равными: выходная индикаторная мощность, термодинамический КПД, максимальные температура и давление индикаторной диаграммы. Как следует из результатов расчетов (табл. 1), наиболее перспективными с точки зрения экологической безопасности и возможности применения на железнодорожном транспорте являются метанол и этанол. Причем, если применение метанола несколько более эффективно, чем этанола по степени снижения выбросов сажи и CO, то удельные расходы топлива ниже у этанола на 20...30 %. Следует также заметить, что эти спирты возможно применять как добавки к дизельному топливу, тем более, что при их содержании в топливе до 10 % не требуется изменять конструкцию ДВС. Что касается газообразных топлив, то вне конкуренции находится водород, использование

Таблица 1

его работе на топливах, альтернативных дизельному

1ежим работы)

Вид топлива Эколого-экономические показатели

Нетоксичные продукты сгорания, г/кг Токсичные вещества в выхлопных газах, г/кг Дым-ность, % Удельный расход топлива, г/л.с. ч Эколого-эконом. коэффициент, усл.г/л.с. ч

CO2 H2O n2 O2 СО C« Hm NO, Сажа SOx S №Г gi K

Водород (газ) 0 19,6 70,9 9,5 0 0 34,1 0 0 0 0 92,8 130,1

Метанол 1376 1234 10505 1620 20,2 2,46 52,1 0,57 0,1 0 11,1 486,5 1067,8

Метан (газ) 2765 2374 27614 4239 47,4 6,1 63,9 1,7 0,216 0,006 13,2 185,7 513,9

Биогаз 2083 1421 16566 2548 35,1 3,73 68,7 1,17 0,16 0 14,6 309 902,9

Этанол 1939 1230 14307 2202 32,3 3,23 62,4 1,05 0,14 0 15,1 357,7 947,3

Пропан (газ) 3040 1718 25102 3855 56,8 5,5 105,1 2,15 0,24 0 17,8 204,2 897,5

Бутанол 2425 1225 17603 2707 44,7 3,9 89,25 1,58 0,17 0 18,4 290,9 1100,2

Дизельное топливо 3220 1246 23217 3563 65,3 5,07 103,2 2,66 6,44 0,48 24,5 220,7 1014,6

которого на транспорте сопровождается лишь с незначительными выбросами N0^ Однако здесь имеется ряд трудностей, связанных с его чрезвычайной взры-воопасностью и высокой стоимостью получения. Наиболее перспективным газовым топливом для тепловозных ДВС следует признать метаносодержащий природный газ, который улучшает практически все экологические показатели за исключением выбросов углеводородов. Кроме этого, значительно снижаются удельные расходы топлива (на 8-10 %). Таким образом, как показывают предварительные оценки, произведенные для «чистых» альтернативных топлив, представляет дальнейший интерес исследование различных примесей и добавок к нефтяным топливам. Поэтому были выполнены модельные расчеты тепловозных дизелей, работающих на комбинированных видах топлива. Перевод дизелей тепловозов на водотоплив-ные эмульсии (ВТЭ) выглядит весьма противоречиво. Как показывают результаты модельных расчетов дизеля 2Д100 на ВТЭ, мощность дизеля уменьшается на номинале на 5,6 %, а удельный расход ВТЭ по сравнению с расходом дизельного топлива возрастает на 4,4 %. При этом собственно экономия дизельного топлива составляет всего 5,6 %, а не 10 %, которые замещаются водой. По экологическим параметрам при уменьшении в выхлопных газах таких вредных веществ, как СО (на 10,1 %), СН (на 6 %), Шх (на 2530 %), 80х (на 15 %), мы имеем значительный рост содержания сажи (на 30-33 %). Последнее, по-видимому, объясняется тем, что при применении ВТЭ снижаются локальные температуры в камере сгорания и это приводит к меньшему образованию оксидов азота и, напротив, к более вялому выгоранию углерода.

Рециркуляция отработавших газов

При компьютерном моделировании процессов рециркуляции для дизеля маневрового тепловоза ЧМЭ3 установлено, что на номинальном режиме работы со степенью рециркуляции 10 % основной положительный эффект заключается лишь в снижении выбросов оксидов азота (в 1,5 раза) и уменьшении в ОГ СО и СН соответственно на 13 и 10 %. Что касается мощности силовой установки тепловоза, то она снижается на 9 %, ухудшается топливная экономичность машины на 11 % и увеличивается дымность ОГ почти в 2 раза. Тем самым подтверждаются результаты экспериментальных работ, проведенных многими авторами, где утверждается, что данный способ снижения выбросов N0 сопряжен с ухудшением топливной экономичности ДВС. Более перспективно применение рециркуляции на режимах малой нагрузки и на холостом ходу.

Оптимизация параметров топливной аппаратуры

Одной из причин, вызывающих изменение количества вредных выбросов в ОГ дизелей, является отклонение параметров работы ДВС от нормативных значений, вызванное определенными видами неисправностей. В этом случае необходимы предупредительные меры, в том числе качественное техническое диагностирование неисправностей работы дизелей

тепловозов, использование на реостатных станциях методов безразборной диагностики дизеля по технико-экологическим параметрам и другие способы.

Одним из перспективных способов оценки технико-экономического и экологического состояния дизеля тепловоза является разработанный в диссертации и рекомендуемый для пунктов экологического контроля (ПЭК) и реостатов запатентованный способ регулирования угла опережения впрыска (УОВ) топлива ДВС [3] (рис. 1). В соответствии с данным способом предлагается на реостатных станциях в депо настраивать параметры топливоподающей аппаратуры дизеля с коррекцией на минимальный расход топлива и с учетом минимального эколого-экономического коэффициента (ЭЭК). Эколого-экономический коэффициент представляет собой произведение совокупного показателя вредности Е (условных г/кг топл.) на удельный индикаторный расход топлива двигателя внутреннего сгорания gi (кг/л.с.- ч): ЭЭК = Еgi (условных г/л.с.-ч). Совокупный показатель вредности выхлопных газов - приведенный удельный выброс Е (условных г/кг топл.) вычисляется как взвешенная с учетом относительной агрессивности Ai сумма удельных выбросов ei (г/кг топл.) химических компонентов: Е = 2 Ае = А е +А е

^ 1 1 СН СН N0 N0

+ A e + A e +...

CO CO ТЧ ТЧ

Использованные в расчетах агрессивности A¡ нормированы по СО (АСо = 1) и составляют соответственно:

Асн = 3,16, ANox = 41,1, ASox = 22, Apb = 22400, АТЧ = = 41,1 в зависимости от сорта топлива. Агрессивность вещества есть величина, обратная ПДК, т.е.

A' ~ пДк . ' Таким образом, ЭЭК учитывает технико-

экологические и экономические показатели работы ДВС. Применение разработанных нами компьютерных программ позволяет также доопределить химический состав отработавших газов тепловозов и косвенно вычислить коэффициент избытка воздуха, мощность дизеля и расход топлива, что дает возможность организовать на ПЭК и реостате малозатратную безразборную техническую диагностику тепловозов по технико-экологическим параметрам.

4

56 L.

Рис. 1. Способ регулирования УОВ топлива в КС ДВС: 1 -цилиндр двигателя; 2 - датчик давления; 3 - топливная форсунка; 4 - ТНВД; 5 - выпускной коллектор; 6 - сенсоры газоанализатора; 7 - блок вычисления совокупного показателя вредности ОГ; 8 - блок вычисления средне-индикаторного давления; 9 - блок сравнения; 10 - блок регулировки угла опережения впрыска топлива

Оценка комплексного влияния изменения УОВ топлива и степени сжатия на технико-экологические характеристики работы тепловозного дизеля была произведена на основе модельных расчетов по дизелям К68310БК, 10Д100 и 1А-Д49. Теоретический анализ эффективности эксплуатационной работы маневрового тепловоза ЧМЭ3 с дизелем К68310БК выполнен для шести вариантов настройки дизеля, характеристики которых представлены в табл. 2.

Сравнительная характеристика вари

подачи. Так, уменьшение продолжительности впрыска топлива при неизменном угле опережения подачи топлива заметно снижает выбросы дисперсных частиц, однако при этом увеличивается содержание в отработавших газах СО. Данный метод снижения загрязнения имеет большое практическое значение. Так, можно установить на дизеле специальную муфту, способную автоматически менять угол опережения впрыска топлива в зависимости от нагрузки.

Таблица 2

гов настройки дизеля К68310БК

Номер варианта Энерго-экологические и экономические характеристики вариантов настройки дизеля, %

С NOx CO Т 1 z ^нд ЭЭК,%

1(базовый) 100 100 100 100 100 100 100

2 98,39 79,58 68,53 107,75 95,13 101,61 87,67

3 101,55 87,02 91,25 104,34 98,45 98,45 100,38

4 96,21 89,74 78,92 103,27 97,02 103,79 88,69

5 94,52 101,40 92,61 99,42 98,45 105,48 91,92

6 97,38 112,53 108,74 95,84 101,37 102,62 100,94

В табл. 2 приняты следующие обозначения: Ь, -удельный индикаторный расход топлива дизелем тепловоза г/л. с -ч;

1 - базовый вариант настройки дизеля К68310БК при е = 13 и угле опережения подачи топлива ф = = 24 град.п.к.в.(все показатели приняты за 100 %);

2 - вариант настройки дизеля К68310БК при е = 12 и угле опережения подачи топлива ф = 18 град.п.к.в.;

3 - вариант настройки дизеля К68310БК при е = 12 и угле опережения подачи топлива ф = 24 град.п.к.в.;

4 - вариант настройки дизеля К68310БЯ при е = 13 и угле опережения подачи топлива ф = 18 град. п. к. в.;

5 - вариант настройки дизеля К68310БЯ при е = 14 и угле опережения подачи топлива ф = 18 град.п.к.в.;

6 - вариант настройки дизеля К68310БЯ при е = 14 и угле опережения подачи топлива ф = 24 град.п.к.в..;

Т - расчетная максимальная температура горения в камере сгорания дизеля, К;

Л^ивд - индикаторная мощность дизеля, л.с.

Сравнительная характеристика вариантов настройки показывает, что дизель К68310БЯ при неизменной степени сжатия целесообразно настраивать на УОВ топлива 18 град. п.к.в., что приводит к значительному сокращению удельного расхода топлива (на 3,79 %), а также к снижению выбросов оксидов азота и сажи. Регулированием угла опережения подачи топлива и подбором топливной аппаратуры можно влиять на максимальную температуру сгорания и период задержки воспламенения топлива. При уменьшении угла снижается максимальная температура цикла, что приводит к снижению концентрации окислов азота МОх в отработавших газах, правда при этом несколько увеличиваются выбросы окиси углерода СО. На токсичность дизелей также оказывают влияние фазовые характеристики процесса топливо-

При этом для создания такой муфты можно использовать запатентованный способ регулирования угла опережения впрыска топлива, учитывающий не только технико-экономические показатели дизеля, но и его экологические характеристики [3]. Резервом для улучшения технико-экологических показателей тепловозных ДВС является поиск оптимальных сочетаний таких параметров рабочего процесса, как степень сжатия е и угол опережения впрыска (УОВ) топлива ф. Результаты расчетов по дизелю тепловоза ЧМЭ3 на номинальном режиме работы представлены на рис. 2 а, б, в, г.

Линд

УОВ

Рис. 2. Изменение энерго-экологических параметров тепловозного дизеля К68310БЯ в зависимости от е и УОВ: а -индикаторная мощность, л.с.; б - эмиссия оксидов углерода; в - эмиссия сажи по шкале Хатриджа, %; г - эколого-экономический коэффициент (см. также с. 80)

а

СО, об.% 0.2

0,10.

УОВ 30

15 tl

УОВ 30

топливных систем, электрогидравлических форсунок, систем электронного зажигания также способно улучшить технико-экологические показатели эксплуатируемых тепловозов. Причиной увеличения выбросов сажи является ухудшение качества распы-ливания топлива дизельными форсунками из-за уменьшения давления топлива в топливной системе, вызванном снижением числа оборотов вала тепловозных дизелей на частичных нагрузках и холостом ходу. В связи с этим были проведены модельные расчеты, оценивающие эффективность использования аккумуляторных топливных систем. Расчеты были произведены для магистральных и маневровых тепловозов.

Как следует из результатов моделирования (рис. 3), применение улучшенного распыла приводит к существенному повышению показателей тепловозного дизеля на холостом ходу и первых четырех позициях контроллера машиниста. Так, мощность дизеля тепловоза по сравнению с паспортными данными увеличивается на 20-30 %, снижаются выбросы сажи в атмосферу на 10 %, удельные расходы топлива сокращаются на 30...50 %, расширяется используемый диапазон рабочих частот вращения в области малых нагрузок, возрастают крутящие моменты и, следовательно, улучшаются ездовые качества машин. Увеличивается также максимальная температура сгорания топлива на 40-60 К на 2-3 позициях контроллера машиниста. Учитывая, что маневровые тепловозы большую часть времени эксплуатируются на режимах в мощностном диапазоне 0.0,25 Nн, то значительно улучшаются экономические и экологические параметры силовых установок тепловозов, а также увеличиваются межремонтные сроки пробегов.

aNe, age, дС,%

30 25 20 15 10 5 0

/ А

А

/J ■Л д¥е д§е

д С „ -К \

р \

£ % V

Рис. 2. Окончание

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Улучшение качества распыливания топлива

Использование новых или модернизованных топливных систем, а именно внедрение аккумуляторных

Рис. 3. Энерго-экологические и экономические показатели работы тепловозов с аккумуляторной системой топливопо-дачи: ЛNe - рост эффективной мощности дизеля; Лge - снижение удельных эффективных расходов топлива; ЛC -снижение выбросов сажи; п - номер позиции контроллера машиниста

б

в

Е

г

n

Выводы

1. Математические модели позволяют заменить физическое моделирование на ПЭК при решении ряда важных оптимизационных задач.

2. Созданные компьютерные программы обладают прогностическими свойствами, позволяют производить расчет рабочего процесса и количества вредных веществ в отработавших газах дизелей тепловозов, основываясь на признанных научных методах исследования.

3. Предложен способ регулирования угла опережения впрыска топлива тепловозного дизеля при проведении реостатных испытаний и на пунктах экологического контроля.

4. Рассчитаны варианты настройки топливной аппаратуры дизелей тепловозов ЧМЭ3 и 2ТЭ10. Предложена корректировка углов начала подачи топлива по минимуму эколого-экономического коэффициента. Экономический эффект при этом из расчета на один магистральный тепловоз составил 89140 руб. в год.

5. Модельные расчеты, проведенные для дизеля 10 Д100, работающего на альтернативных видах топлива, показывают, что наиболее перспективными с точки зрения экологической безопасности и возможности применения на железнодорожном транспорте являются метанол, этанол и природный газ.

6. При внедрении аккумуляторной топливной системы на маневровом тепловозе ЧМЭ3 его мощностные и экономические показатели улучшаются на 5-7 %, а выбросы сажи снижаются на 10 %. Так, при уменьшении

среднего размера капель топлива в 2-3 раза (за счет применения высокого давления распыла) на холостом ходу и малых нагрузках мощность дизеля тепловоза повышается примерно на 55-75 кВт по сравнению с его паспортными значениями.

7. При компьютерном моделировании процессов рециркуляции для дизеля маневрового тепловоза ЧМЭ3 установлено, что на номинальном режиме работы со степенью рециркуляции 10 % основной положительный эффект заключается лишь в снижении выбросов оксидов азота (в 1,5 раза), при этом мощность силовой установки тепловоза снижается на 9 %, ухудшается топливная экономичность на 11 %, увеличивается дымность ОГ почти в 2 раза. Доказана перспективность рециркуляции на малых нагрузках и холостом ходу.

Литература

1. Булыгин Ю.И. и др. Компьютерная модель термогазодинамики и химических превращений в поршневом двигателе // Изв. вузов. Сев. Кавк. регион. Техн. науки. 2001. № 1. С. 75-83.

2. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2002610605 от 25.04.2002.

3. Пат. 2215897 РФ С2 Кл. 7 Е 02 М 65/00, О 01 М 15/00.

Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону 27 октября 2005 г.