CC BY
31
arranging bases' wells]. St. Petersburg, Lan', 2012. 288 p.
2. Mangushev R. A., Ershov A. V., Osokin A. I. Sovremennye svajnye tehnologii: ucheb. posobie [Modern pile technologies: textbook]. Moscow, ACB, 2010. 240 p.
3. Shtol' T. M., Telichenko V. I., Feklin V. I. Tehnologija vozvedenija pod-zemnoj chasti zdanij i sooruzhenij [Technology of constructing underground part of buildings and constructions]. Moscow, Strojizdat, 1990. 282p.
4. Svirshhevskij V. K. Prohodka skvazhin v grunte sposobom raskatki [Advance of wells in soil by means of expansion]. Novosibirsk,Nauka, 1982. 120p.
5. Saurin A. N., Red'kina Y. V. Svai v raskatannyh skvazhi-nah [Piles in rolled wells]. Stroitel'nye materialy, oborudovanie, tehnologii XXI veka, 2005, no 12. pp. 12-17.
6. Osnovanija i fundamenty. Ustrojstva fundamentov iz nabivnyh svaj v raskatanyh skvazhinah. [Foundation engineering. Arrangement of bases of grouted piles in rolled wells] Pravila, kontrol' vypolnenija i tre-bovanija k rezul'tatom rabot:Standart organiza-cii STO 221 NOSTROJ 2.5.75-2014- Vved. 2014-04-15. - Sodruzhestvo stroitelej. Delo № 82-Sankt-Peterburg, 151 list.
7. Saurin A.N., Bagdasarov Y.A., Zhadanovskij B.V. Navesnoj rabochij organ dlja vintovoj raskatki skvazhin v grunte [Hinged working body for screw expansion of wells in soil] Patent RF no 2002109287/03, 2003.
8. Lis V., Ponomarenko Y. E., Lis M.Obektivnye faktory, sderzhi-vajushhie vnedrenie metoda uplotnenija grunta raskatyvaniem [The objective factors constraining introduction of a method of soil's consolidation using rolling]. Stroitel'nye i dorozhnye mashiny, 2011, no 1. pp. 20-24.
9. Lis V., Ponomarenko J. E. Wälzbohrgerät zur Herstellung von Bohrlöchern im Erdreich durch Bodenverdichtung. Bauingenieur. Band 83, September 2008. pp. 376-378.
10. Bobylev L.M., Bobylev A.L., Svirshhevskij V.K. Ustrojstvo dlja obrazovanija skvazhin v grunte [The device for creating wells in soil] Patent SU no 4828433/03, 1992.
11. Bobylev A.L., Docenko A.I. Raskatchik dlja ust-rojstva nabivnyh svaj [The rolling device for arrangement of wells in soil] № 2010126722/03, 2012.
12. Patentschrift DE 10 2010 034 412 B3, 2011.11.17. M. Lis, V. Lis, J. E. Ponomarenko. Wal-zenbohr-Vorrichtung // Tag der Anmeldung: 14.08.2010. Deutsches Patent- und Markenamt, 80297 München.
Лис Виктор (Германия, Mittel) - кандидат технических наук (88441, Mittel, Germany, e-mail: vidalis@kabelbw. de)
Пономаренко Юрий Евгеньевич (Россия, Омск) - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой Инженерная геология, основания и фундаменты ФГБОУ ВПО «СибАДИ». (644080, г. Омск, пр. Мира, 5)
Lis Victor (Germany, Mittlebiberach) - candidate of technical sciences (88441, Mittlebiberach, Gemany, e-mail: vidalis@kabelbw. de)
Ponomarenko Yuriy Evgenievich (Russin Federation, Omsk) - doctor of technical sciences, professor, Head of the department "Engineering geology, foundations and bases" of The Siberian automobile and highway academy (SIBADI) (644080, Omsk, Mira st., 5)
УДК 621.431
РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА ПРЕДЕЛОВ ФОРСИРОВАНИЯ ДИЗЕЛЕЙ С УЧЕТОМ ТРЕБОВАНИЙ К ВЫБРОСАМ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ С ОТРАБОТАВШИМИ ГАЗАМИ
Е. А. Омельченко, Д. Ю. Фадеев, О. В. Субботин Омский автобронетанковый инженерный институт, Россия, Омск.
Аннотация. На примере перспективных дизелей семейства Т, разрабатываемых ООО «ЧТЗ-Уралтрак» проиллюстрирована методика расчетной оценки влияния различных факторов на экологические параметры и пределов форсирования, ограниченных допустимыми значениями этих параметров. Выполненные расчеты показали, что при условии применения конструктивных мероприятий направленных на снижение тепломеханической напряженности и токсичности отработавших газов, принципиально возможно повысить уровень форсирования перспективных дизелей ООО «ЧТЗ-Уралтрак» семейства Т с 14.5 до 34 кВт/л (при частоте вращения 2400 мин-1) и довести его до уровня лучших зарубежных аналогов.
Ключевые слова: экологичность, форсирование, тепломеханическая напряженность, оптимизация рабочего цикла, степень сжатия.
Ведение по одному из важнейших параметров, харак-
Дизели отечественного производства су- теризующих технический уровень - литровой щественно отстают от зарубежных аналогов мощности рисунок 1. Повышение литровой
мощности является одной из актуальных задач отечественного двигателестроения [1], однако, при форсировании необходимо обеспечить соответствие требованиям стандартов к выбросам вредных веществ с отработавшими газами. На примере перспективных ди-
зелей семейства Т, разрабатываемых ООО «ЧТЗ-Уралтрак» проиллюстрирована методика расчетной оценки влияния различных факторов на экологические параметры и пределов форсирования, ограниченных допустимыми значениями этих параметров.
50
45
40
35
30
CQ Ü 25
£
Z 20
15
10
5
0
g о О
о о 9 п о > о
О о о i о" 3 о 3 о о • О
• f ОО % о о °0 п Д о 1 о пО»
9 1 Oq. ии 1» 'S i «оУ о о 0 0 -а
о с о й 0 W У 1 ]М
Н о о о 8 0 8 о я 1 188 0 1 : л
• ка . ^ • 2 ® 1
? . J< 1 • 1
¡! У . г о 8 • • 1
о
• Отечественные о Зарубежные ОЧТЗ
0,0
1,0
2,0 VD, л
3,0
4,0
Рис. 1. Удельная литровая мощность дизелей типа 4Т371, 6Т370, их отечественных и зарубежных аналогов
Расчётная оценка форсирования
В качестве исходного варианта принят режим номинальной нагрузки дизеля 4Т371, как наиболее форсированный (14.5 кВт/л) [2]. Рассматривались варианты повышения литровой мощности за счет увеличения цикловой подачи топлива и воздуха, а также частоты вращения коленчатого вала. Оценивалась эффективность мероприятий, связанных с оптимизацией рабочего цикла, по снижению выбросов вредных веществ с отработавшими
газами и тепломеханическом напряженности деталей образующих камеру сгорания. При этом динамическая нагруженность деталей двигателя не оценивалась.
Был проведен численный многофакторный эксперимент методом D-Optimum, в ходе которого варьировались параметры: цикловая подача топлива - 8 расчетных точек, частота вращения коленчатого вала - 7 точек и степень повышения наддува - 11 точек, всего было рассчитано 616 вариантов таблица 1.
Таблица 1 - Исходные данные (варьируемые параметры) для численного эксперимента
Независимые параметры Зависимые параметры (fCnv))
qt, мг n, мин-1 Пк Тк, К Рг/Р0 Tr, K
60 1600 1,0 293 0,95 750
80 2000 1,2 315 1,14 790
100 2400 1,4 335 1,33 839
120 2800 1,6 353 1,52 885
140 3200 1,8 369 1,71 927
180 3600 2,0 385 1,90 966
220 4000 2,4 414 2,28 1038
240 - 2,8 440 2,66 1103
- - 3,2 463 3,04 1162
- - 3,6 485 3,42 1217
- - 4,0 506 3,80 1269
В ходе расчета использовалась ранее разработанная математическая модель [2, 3, 4, 5]. Температура воздуха во впускном коллекторе, давление и температура отработавших газов в выпускном коллекторе рассчиты-
валась по известным зависимостям (см., например [1]). В таблице 2 приведены максимальные значения ограничивающих (рассчитываемых) параметров.
Таблица 2 - Предельные значения ограничивающих (рассчитываемых) параметров для одноцилиндрового отсека
Параметр Предельное значение Источник требований
де, г/ кВтч 218 Рекомендации ГОСТ 20000
дюх, г/кВтч 9,0 Требования ГОСТ Р 41.96-2005, с учетом коэффициентов весомости
дРм, г/кВтч 0,3
Основные результаты расчета (при исходном значении степени наддува пк=1.6) приведены на рисунке 2 и 3. Математическая обработка результатов численного многофакторного эксперимента показала, что выбранные ООО «ЧТЗ-Уралтрак» конструктивные и регулировочные параметры дизелей типа 4Т371 и
6Т370 близки к оптимальным. Резерв форсирования при исходных ограничивающих параметрах практически отсутствует, поэтому необходимы дополнительные конструктивные мероприятия по минимизации негативных последствий повышения литровой мощности.
4000.0
КРМ
3000.0
2000.0
240.0 220.0 200.0 180.0 О 160.0 н 140.0 120.0 100.0 80.0 60.0
240.0 220.0 200.0 180.0 160.0 140.0 120.0 100.0 800 60.0
124.4 .. 28 .559 2.2 .. 24 .4 I 1-7ПП „22.2 I И 7 Я .. 20 .0 I 115К .17.8 I 11^4 .. 15.6 < 1и "> ..13.4
ШИэ.О .. 11.2 I 1б я .9.0
Г 14 6 ..6.8 ^■2.363 ..4.6
4000.0 3000.0 2000.0
RPM
Рис. 2. Зависимость удельных выбросов оксидов азота (д10х, г/кВтч) от частоты вращения коленчатого вала ^РМ, мин-1) и цикловой подачи топлива (ОТ, мг) при ттк=1.6
РРМ
4000.0 3000.0 2000.0
240.0 220.0 200.0 180.0 О 160.0 н 140.0 120.0 100.0 800 60.0
240.0 220.0 200.0 180.0 160.0 О 140.0 н 120.0 100.0 800 60.0
1вН .64 I 11 .49 I Н .34 I 11.19 I 11 .04 I 10.89 I !п та .. 0.89 I 10.59 .. 0.74 I 1п44 .0.59 I 10.29 ..0.44 ^■о.138 . 0.29
1.785 1.64 1.49 1.34 1.19 1.04
4000.0 3000.0 2000.0 РРМ
Рис. 3. Зависимость удельных выбросов твердых частиц (дрм, г/кВтч) от частоты вращения коленчатого вала ^РМ, мин-1) и цикловой подачи топлива ^Т, мг) при Пк=1.6
Анализ результатов численного многофакторного эксперимента с ограничением только по удельному расходу топлива показывает, что при частоте вращения коленчатого вала 2000 мин-1, возможно достижение мощности 70 кВт/цилиндр (35 кВт/л), при этом существенно (в четыре раза) возрастут удельные выбросы оксидов азота (в 4 раза). Увеличение частоты вращения позволит повысить цилиндровую мощность с шагом 20...25 кВт/1000 мин-1, при этом удельные
выбросы оксидов азота увеличатся в 6 раз. Исходя из полученных зависимостей и характеристик зарубежных аналогов, предложено в качестве предела форсирования выбрать режим обеспечивающий значение литровой мощности 34 кВт/л (рис. 4):
ФИ=16.6 град.ПКВ до ВМТ, п=2400 мин-1,
Пк=2.8.
Рис. 4. Зависимость эффективной мощности (Ые, кВт) от частоты вращения коленчатого вала ^РМ, мин-1) и цикловой подачи топлива ^Т, мг) при Пк=2.8
Однако для выбранного режима необходимо применение дополнительных конструктивных мероприятий [6], обеспечивающих снижение удельных выбросов вредных веществ до требований стандартов. Эти мероприятия были обоснованы в ходе дальнейших расчетов. При выбранных значениях варьируемых параметров и фиксированных значениях прочих параметров, оценивалось влияние на характеристики двигателя давления впрыска (рис. 5), частичной рециркуляции отработавших газов (рис. 6), степени сжатия, рисунок 7. Рециркуляция отработавших газов является наиболее эффективным из рас-
смотренных мероприятий, ее применение позволит снизить удельные выбросы оксидов азота на 30...50 %, твердых частиц - в 2...5 раз, в зависимости от режима нагружения [4]. Рециркуляция может обеспечить соответствие как исходного, так и форсированного варианта двигателя требованиям НТД к выбросам дисперсных частиц, однако, для выполнения норм по ЫОх для форсированного варианта необходимы дополнительные конструктивные мероприятия, например, каталитический нейтрализатор, который позволяет снизить выбросы оксидов азота на 90 % (в 10 раз), СО и СН - на 80 % (в 5 раз).
1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 2,00 2,20
2,40
Рт]/Рт]ПОП1
Рис. 5. Зависимость удельных выбросов оксидов азота ^Ох) и дисперсных частиц (РМ) от давления впрыска топлива: 1 - исходный, 2 - форсированный вариант
-1\10х-1 -1\Юх-2 ■ РМ-1 -РМ-2
г 0,40
0,35
0,30
у —1\10х-1
0,25 н СО —О—1\Юх-2
0,20 "с
-■-РМ-1
0,15 а.
О) -□-РМ-2
0,10
0,05
0,00
0,30
Рис. 6. Зависимость удельных выбросов оксидов азота ^Ох) и дисперсных частиц (РМ) от доли рециркулирующих отработавших газов: 1 - исходный, 2 - форсированный вариант
40,0
35,0
30,0
у
€ 25,0
"С 20,0
о 15,0
О)
10,0
5,0
0,0
Г--с г-9
0,80
0,70
0,60
у
0,50 Й
0,40 "С
0,30 о.
О)
0,20
0,10
0,00
-ЫОх -РМ
10
12
14
СГ*
16
18
20
Рис. 7. Зависимость удельных выбросов оксидов азота ^Ох) и дисперсных частиц (РМ) от степени сжатия (CR)
Снижение степени сжатия позволяет уменьшить удельные выбросы оксидов азота примерно в 2.5 раза, но в 2 раза возрастают выбросы твердых частиц [6]. Одновременно снижаются механические нагрузки на детали двигателя, при этом значение цилиндровой мощности (в рассматриваемом диапазоне степеней сжатия) уменьшается только на
10 %. Максимальная температура рабочего цикла снижается примерно на 150 К, а температура деталей образующих камеру сгорания - на 200 К.
Заключение
Таким образом, выполненные расчеты показали, что при условии применения конструктивных мероприятий направленных на
снижение тепломеханической напряженности и токсичности отработавших газов, принципиально возможно повысить уровень форсирования перспективных дизелей ООО «ЧТЗ-Уралтрак» семейства Т с 14.5 до 34 кВт/л (при частоте вращения 2400 мин-1) и довести его до уровня лучших зарубежных аналогов. Без применения каталитического нейтрализатора можно повысить уровень форсирования до 25 кВт/л (при исходной частоте вращения 2000 мин-1), что соответствует среднему уровню зарубежных аналогов.
Библиографический список
1. Малозёмов, А. А. Математическая модель двигателя на основе системы дифференциальных уравнений энергетического и массового балансов / А. А. Малоземов // Повышение эффективности силовых установок колесных и гусеничных машин. - 2006. - № 18. - С. 8 - 15.
2. Попык, К. Г. Динамика автомобильных и тракторных двигателей: учебник / К. Г. Попык. - М.: Машиностроение, 1965. - 259 с.
3. Ленин, И. М. Автомобильные и тракторные двигатели (теория, системы питания, конструкции и расчёт) / И. М. Ленин, К. Г. Попык - М.: Машиностроение, 1969. - 565 с.
4. А. с. 7132 РФ, МКИ3 F 02 В. Расчет рабочего цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания методом энергетического и массового баланса рабочего тела "МАЕпдте" / А.А. Малоземов; ООО "ФУМНПЦ" (РФ). - N 7132/13-11; заявл. 31.10.06; опубл. 28.11.06, Бюл. N 14..
5. Heywood J.B. Internal combustion engine fundamentals. - USA: McGraw-Hill Inc., 1988. - 930 p.
6. Малозёмов, А. А. Математическое моделирование химической кинетики образования токсичных веществ в дизеле балансов / А. А. Малоземов // Повышение эффективности силовых установок колесных и гусеничных машин. - 2006. - № 18. - С. 3 - 8.
ACCOUNTING ESTIMATE OF LIMITS OF FORCING DIESEL ENGINES CONSIDERING REQUIREMENTS TO EMISSIONS OF HARMFUL SUBSTANCES WITH THE BURNT GASES
E. A. Omelchenko, D. Y. Fadeyev, O. V. Subbotin
Abstract. The methodology of accounting estimate of influence of various factors on ecological parameters and limits of forcing, restricted by legitimate values of these parameters is illustrated on an example of perspective diesels of T set, developed by OOO "CTZ-Uraltrak". The fulfilled calculations showed that in condition of using structural measures aimed at reducing heat-mechanic tension and toxicity of burnt gases, it is possible to increase the level of forcing perspective diesels of OOO "CTZ-Uraltrak", T set from 14.5 to 34 kW/l (at rotational speed of 2400 min) and bring it to the level of the best foreign analogues.
Keywords: ecological compatibility, forcing, thermal mechanical tension, optimization of work cycle, compression index.
References
1. Popyk K. Dinamika avtomobil'nyh i traktornyh dvigatelej: uchebnik [Dynamics of automobile and tractor engines: textbook]. Moscow, Mechanical Engineering, 1965. 259 p.
2. Lenin I. M., Popyk K. Avtomobil'nye i traktornye dvigateli (teorija, sistemy pitanija, konstrukcii i raschjot) [Automobile and tractor engines (theory, power systems, design and calculation)]. Moscow, Mashinostroenie, 1969. 565 p.
3. Malozemov A. A. Programma dlja rascheta rabochego cikla porshnevogo dvigatelja vnutrennego sgoranija metodom jenergeticheskogo i massovogo balansa rabochego tela «MAEngine» [Program for calculation of working cycle of a piston internal combustion engine by a method of energy and mass balance of a working body "MAEngine"].no. 7131, 2006.
4. Malozemov A. A. Matematicheskaja model' dvigatelja na osnove sistemy differencial'nyh uravnenij jenergeticheskogo i massovogo balansov [Mathematical model of an engine based on a system of differential equations of energy and mass balances] Increase the efficiency of the power plant of wheeled and tracked vehicles, 2006, no. 18. pp. 8 - 15.
5. Malozemov, A. A. [Mathematical modeling of chemical kinetics of forming toxic substances in a diesel of balances]. Increasing efficiency of the power plant of wheeled and tracked vehicles, 2006, no. 18. pp. 3 - 8.
6. Heywood, J. B. Internal combustion engine fundamentals.USA: McGraw-Hill Inc., 1988. 930 p.
Фадеев Дмитрий Юрьевич (Россия, Омск) -кандидат технических наук, доцент кафедры Ремонта бронетанковой и автомобильной техники, «ОАБИИ» (644098, г. Омск, 14 Военный городок, e-mail: dima11780@inbox.ru)
Омельченко Евгений Алексеевич (Россия, Омск) - заместитель начальника кафедры Вождения, «ОАБИИ» (644098, г. Омск, 14 Военный городок, e-mail: dima11780@inbox.ru)
Субботин Олег Викторович (Россия, Омск) -старший преподаватель кафедры Ремонта бронетанковой и автомобильной техники, «ОАБИИ» (644098, г. Омск, 14 Военный городок, e-mail: dima 11780@inbox. ru)
Fadeyev Dmitry Yurievich (Omsk, Russian Federation) - Candidate of Technical Sciences, associate professor of the department "Repair of armoured and automotive vehicles, "OABII" (644098, Omsk, 14 Voenny gorodok, e-mail: dima11780@inbox.ru)
Omelchenko Evgeniy Alekseevich (Omsk, Russian Federation) - deputy chief of the department of Driving, "OABII" (644098, Omsk, 14 Voenny gorodok, e-mail: dima11780@inbox.ru)
Subbotin Oleg Viktorovich (Omsk, Russian Federation) - senior lecturer of the department "Repair of armoured and automotive vehicles", "OABII" (644098, Omsk, 14 Voenny gorodok, e-mail: dima11780@inbox.ru)
