Расчетно-экспериментальные исследованиягазовоздушной системы тепловозного дизеля Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

что отрицательно сказывается на энергоэффективности привода. Данную задачу можно решить за счет применения электропривода с векторным управлением асинхронного двигателя.

Список литературы

1. Лезнов, Б. С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных установках [Текст] / Б. С. Лезнов. - М.: Биоинформсервис, 1998. - 180 с.

2. Лысенко, О. А. Режимы энергосбережения электромеханического комплекса «центробежный насос - асинхронный двигатель» [Текст] / О. А. Лысенко, А. И. Мирошник // Омский научный вестник. - Омск, 2011. - № 2 (98). - С. 145 - 148.

3. Лысенко, О. А. Исследование динамических характеристик электромеханического комплекса «центробежный насос - асинхронный двигатель» [Текст] / О. А. Лысенко, А. С. Солодянкин // Омский научный вестник. - Омск, 2010. - № 2 (90). - С. 148 - 151.

4. Лысенко, О. А. Гидравлический стенд для исследования авиационных электротехнических комплексов [Текст] / О. А. Лысенко, А. В. Дегтярев, Р. Н. Хамитов // Решетневские чтения: Материалы XVI междунар. науч. конф.: В 2 ч. / Сибирский гос. аэрокосмический ун-т им. академика М. Ф. Решетникова. - Красноярск, 2012. - Ч. 1. - С. 316, 317.

УДК: 629.4.069

Д. Я. Носырев, А. А. Свечников

РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГАЗОВОЗДУШНОЙ СИСТЕМЫ ТЕПЛОВОЗНОГО ДИЗЕЛЯ

Статья посвящена расчетно-экспериментальным исследованиям газовоздушной системы тепловозного дизеля, усовершенствованной циклоном-электрофильтром. Основное внимание уделяется определению эффективности работы разработанной газовоздушной системы. Построена математическая модель газодинамических процессов газовоздушной системы, которая позволяет оценить влияние геометрической конфигурации и электродинамических воздействий на процесс очистки отработавших газов от твердых загрязнителей. Проведено сравнение полученных расчетных данных с экспериментальными.

В состав отработавших газов тепловозного дизеля входит множество токсичных компонентов. Важное место в общем уровне токсичности занимает сажа, так как ее выбросы значительны (определяют повышенную дымность). Проанализировав нормативные значения выбросов вредных веществ и степень их ужесточения по отношению к требованиям 1996 г., можно заметить, что эта степень непрерывно возрастает. Выполнения требований норм «Евро-V» и «Евро^1» можно добиться совершенствованием газовоздушной системы тепловозного дизеля (Экологическая стратегия ОАО «РЖД» на период до 2015 года и перспективу до 2030 года).

Как один из вариантов совершенствования системы выпуска отработавших газов предлагается оборудовать выхлопную систему дизеля внешним устройством очистки отработавших газов от сажи. Анализ последних достижений в области конструирования устройств очистки выхлопных газов от твердых загрязнителей показывает, что большинство из них сложны в изготовлении и нетехнологичны. Таким образом, для обеспечения экологической безопасности тепловозных дизелей требуется разработать дешевое, надежное и технологичное устройство очистки выхлопных газов от твердых загрязнителей. Устройство должно иметь такую степень очистки, которая обеспечивала бы с запасом требуемый уровень предельно допустимой концентрации сажи. Подобное устройство было разработано на кафедре «Локомотивы» Самарского государственного университета путей сообщения (рисунок 1) [1, 2].

30 ИЗВЕСТИЯ Транссиба _№ 4(16) 2013

= _

На основании известных методик и рекомендаций были рассчитаны основные геометрические параметры предложенного устройства применительно к условиям работы дизеля тепловоза ЧМЭ3. Разработанное устройство имеет небольшое гидравлическое сопротивление. Геометрические размеры предложенного устройства: диаметр цилиндрической части Пц = 300 мм; высота цилиндрической части корпуса Нц = 410 мм; высота конической части корпуса Нк = 500 мм; ширина входного патрубка Ьвх = 75 мм; высота входного патрубка квх = 150 мм; диаметр выхлопной трубы dвыx = 150 мм; глубина выхлопной трубы Ивых = 320 мм.

Для улавливания твердых частиц предложен электродинамический метод очистки отработавших газов. Разработанное устройство представляет собой центробежный циклон-электрофильтр, в котором реализуются одновременно механизмы центробежной и электроочистки. Циклон-электрофильтр состоит из конического корпуса 1 с входным патрубком 2, крышки корпуса 3, изоляторов 4, изолирующей пластины 5, коронирующих электродов 6, выходного патрубка 7, отражателя 8, спиц 9, бункера 10 с осевым патрубком выхода сажи 11.

Разработана математическая модель определения эффективности работы газовоздушной системы тепловозного дизеля, позволяющая анализировать ее характеристики в зависимости от эксплуатационных показателей дизеля и учитывающая влияние геометрической конфигурации газовоздушной системы, а также влияние электродинамических воздействий на процесс очистки отработавших газов от твердых загрязнителей [3].

Оценка влияния сил, действующих на частицу сажи, позволяет сделать вывод о том, что основными силами, действующими на частицу в циклоне-электрофильтре, являются силы инерции, силы электрического взаимодействия и сила аэродинамического сопротивления газа. Результирующая сила:

^ (1)

где - центробежная сила инерции;

^а - аэродинамическая сила;

- сила электрического взаимодействия.

Однако эффективность улавливания сажевых частиц при одновременном воздействии на них механизмом центробежной очистки и механизмом электрического осаждения невысока (не более 60 %).

Использование униполярного коронного разряда внутри циклона-электрофильтра нецелесообразно. Если же коронирующие электроды подключить к источнику напряжения таким образом, чтобы на них образовывался биполярный коронный разряд, то механизм осаждения частиц сажи заменится механизмом их коагуляции. Разноименно заряженные частицы получат необходимый импульс к коагуляции и будут интенсивно слипаться, увеличиваться в размерах. Частицы больших размеров эффективно улавливаются за счет действия центробежных сил.

На первом этапе математического моделирования в современном программном комплексе SolidWorks была построена трехмерная твердотельная модель газовоздушной системы дизеля с циклоном-электрофильтром. На втором этапе расчетного моделирования были определены граничные условия для твердотельной модели, которыми являются расход газа на

Рисунок 1 - Принципиальная схема циклона-электрофильтра

№204(1з6) ИЗВЕСТИЯ Транссиба 31

входе устройства, давление на выходе и физико-химические свойства отработавших газов тепловозного дизеля. Все расчеты выполнены применительно к условиям работы дизеля тепловоза ЧМЭ3. При работе дизеля тепловоза ЧМЭ3 на номинальном режиме расход газа Gr = = 1,62 кг/с. Очищенный газ после устройства выпускается в атмосферу, следовательно, давление на выходе устройства равно атмосферному: Ратм = 101325 Па.

В программном комплексе SolidWorks с использованием модуля Flow Simulations, необходимым для газодинамического анализа, был проведен расчет скоростей внутри устройства и построены диаграммы распределения скоростей и давления (рисунок 2).

а б

Рисунок 2 - Диаграммы распределения скоростей (а) и давления (б)

Была построена диаграмма траекторий движения газового потока. Для расчета траекторий движения частиц с газовым потоком необходимо знать их уравнения движения.

Ступенчатая, или фракционная, эффективность центробежного уловителя рассчитывается по формуле:

12

Л пол = Z ,

(2)

где - массовая доля частиц для диапазона размеров /;

г)1 - фракционная эффективность (в процентах) для /'-го диапазона размера частицы. Коагуляция частиц, находящихся в потоке газа, зависит от размера частиц, электрического заряда и температуры. Наличие зарядов на частицах существенно изменяет процесс взаимодействия частиц между собой и с дисперсной средой. Основное кинетическое уравнение коагуляции имеет вид:

ёп(ш, ^)

dt

= K (n(m, t)),

(3)

где n(m, t) - непрерывный спектр масс частиц, пропорционален спектру кубу диаметров частиц; функционал K(n(m,t)) называется коагуляционным членом.

В программном комплексе SolidWorks с использованием модуля Flow Simulations, был проведен расчет степени очистки циклонного очистителя для различных размеров сажевых частиц при расходе газа, эквивалентном 1,62 кг/с (частота вращения - 750/60 с-1) (рисунок 3). Накопление электрического заряда приводит к появлению действующих сил притяжения и отталкивания между частицами, что изменяет вероятность их коагуляции.

i=i

32 ИЗВЕСТИЯ Транссиба _№ 4(16) 2013

= _

Увеличение размеров частиц сажи определяется константой коагуляции - вероятностью коагуляции частиц в единицу времени.

Так как аналитическое определение константы коагуляции достаточно затруднительно, то введем понятие коэффициента коагуляции. Коэффициент коагуляции К -безразмерная величина, которая показывает, во сколько раз увеличится полная степень очистки устройства за счет коагуляции частиц сажи под действием биполярного коронного разряда. При расчете степени очистки циклона-электрофильтра учтем коэффициент коагуляции К, величина которого будет оценена эмпирически по результатам проведения экспериментальных исследований.

Уравнение для определения полной эффективности устройства очистки отработавших газов тепловозов от сажи (2) с учетом коэффициента коагуляции примет вид:

Рисунок 3 - Зависимость степени очистки от диаметра улавливаемых частиц при расходе газа эквивалентном 1,62 кг/с (частота вращения 750/60 с-1)

V 12

п = А, г тл .

»пол к -л г 'г

г=1

(4)

Так как средний диаметр частиц сажи по массе в отработавших газах тепловозного дизеля равен 3 мкм, то для достижения степени очистки, равной 90 - 97 %, нужно обеспечить ко-

12

эффициент коагуляции 1,6 - 1,95 единицы при ^ т= 50 %.

г=1

Экспериментальные исследования газовоздушной системы, усовершенствованной циклоном-электрофильтром, проводились в лаборатории СамГУПСа «ЛЭУ» на дизеле Д242 [5]. Для оценки возможности обеспечения требуемых предельно допустимых концентраций сажи в отработавших газах дизеля с помощью циклона-электрофильтра на биполярном коронном разряде построена зависимость массовой концентрации сажи от режима работы дизеля с нанесением линии ПДК на область графика, представленного на рисунке 4. Зависимость построена для различных напряжений на электродах и, а также для дизеля, работающего без каких-либо устройств очистки.

№ 4(16) 2013

Рисунок 4 - Зависимость массовой концентрации сажи от режима работы дизеля по мощности N для различных напряжений на электродах и

ИЗВЕСТИЯ Транссиба

В целом экспериментальные исследования показали следующее: объемная концентрация сажи в отработавших газах дизеля без использования каких-либо средств очистки существенно превышает предельно допустимую концентрацию по ГОСТу; степень очистки циклона-электрофильтра на биполярном коронном разряде в 1,3 - 1,5 раза выше, чем на униполярном коронном разряде; работа циклона-электрофильтра на напряжении и = 9 кВ с запасом обеспечивает предельно допустимую концентрацию сажи на всех эксплуатационных режимах работы дизеля; степень очистки циклона-электрофильтра, работающего на напряжении и = 9 кВ, держится постоянной независимо от режимов работы дизеля; оптимальное количество коронирующих электродов равно трем - четырем парам; применение циклона-электрофильтра, работающего на биполярном коронном разряде, позволяет уменьшить объемную концентрацию сажи в 10,7 раза; установка циклона-электрофильтра в выхлопную систему дизеля не влияет на экономичность работы дизеля и на его мощность.

По результатам исследований получена расчетно-экспериментальная зависимость коэффициента коагуляции от напряжения на электродах (рисунок 5).

(-4

•Э-•Э-

О 3 кВ 9

-: -

Напряжение на электродах V

Рисунок 5 - Зависимость коэффициента коагуляции от напряжения на электродах

С повышением напряжения на коронирующих электродах циклона-электрофильтра коэффициент коагуляции непрерывно растет. При напряжении и = 9 кВ коэффициент коагуляции достигает своего пика: К = 1,9. При таком режиме работы степень очистки циклона-электрофильтра, полученная экспериментально, достигает 95 %.

На рисунке 6 дано сопоставление экспериментальных и расчетных значений степени очистки циклона-электрофильтра в зависимости от режима работы дизеля Д242.

98

90 Х.Х. 0,25^ 0.5Ые N. ---

Режим работа дизеля

Рисунок 6 - Зависимость степени очистки циклона-электрофильтра от режима работы дизеля, построенная по расчетным и экспериментальным данным

34 ИЗВЕСТИЯ Транссиба

№ 4(16) 2013

Расчеты, выполненные с помощью разработанной математической модели, показали хорошую сходимость с результатами, полученными в ходе экспериментальных исследований работы разработанного циклона-электрофильтра при испытаниях его на дизеле Д242. Расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышает 7 %. Следовательно, можно сделать вывод об адекватности расчетных исследований циклона-электрофильтра, адаптированного к тепловозу ЧМЭ3. Вероятность воспроизводимости полученной расчетным путем степени очистки составит 95 - 98 %.

Список литературы

1. Пат. 117321 Российская Федерация, МПК B 03 С 3/15. Циклон-электрофильтр [Текст] / Носырев Д. Я., Свечников А. А.; заявитель и патентообладатель Самарский гос. ун-т путей сообщения; заявл. 24.11.2011; опубл. 27.06.2012, Бюл. № 18.

2. Носырев, Д. Я. Разработка устройства очистки отработавших газов тепловозного дизеля от твердых загрязнителей [Текст] / Д. Я. Носырев, А. А. Свечников // Молодой ученый. -Чита, 2012. - № 10 (45). - С. 67 - 69.

3. Носырев, Д. Я. Моделирование процесса очистки газовых выбросов тепловозных дизелей от сажи в циклоне-электрофильтре [Текст] / Д. Я. Носырев, А. А. Свечников // Вестник Ростовского гос. ун-та путей сообщения / Ростовский гос. ун-т путей сообщения. - Ростов-на-Дону, 2012. - № 4 (48). - С. 31 - 35.

4. Носырев, Д. Я. Экспериментальные исследования работы циклона-электрофильтра в качестве устройства очистки отработавших газов тепловозных дизелей [Текст] / Д. Я. Носы-рев, А. А. Свечников // Вестник транспорта Поволжья / Самарский гос. ун-т путей сообщения. - Самара, 2012. - № 6 (36). - С. 13 - 20.

УДК 621.236.038

Е. И. Сковородников, Л. Ю. Михайлова

ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ ТЕПЛОВОЗНЫХ ДИЗЕЛЕЙ ПО АНАЛИЗУ ДВИЖЕНИЯ ИГЛЫ ФОРСУНКИ

Предложен способ диагностирования, позволяющий на работающем двигателе определить диаграмму движения иглы распылителя с использованием датчика давления, установленного в полости над иглой форсунки, оценить фактический угол опережения подачи топлива и техническое состояние форсунки дизеля.

Основным конструктивным элементом топливной форсунки дизельных двигателей является распылитель, работоспособность которого определяется величиной хода и подвижностью иглы, величиной зазора в паре «игла - корпус распылителя», давления подъема иглы, герметичностью посадочного конуса, значением изменения площади сопловых отверстий. Очевидно, что информацию о техническом состоянии форсунки и начале подачи топлива в камеру сгорания можно получить по анализу движения иглы.

Движение иглы топливной форсунки можно определить индуктивным датчиком, выполненным в виде проставки (рисунок 1), которая располагается между корпусами распылителя и форсунки [1]. В условиях эксплуатации двигателей применение индуктивного датчика в виде проставки между корпусами распылителя и форсунки затруднено, так как связано с необходимостью снятия форсунки с двигателя и ее разборки.

В предложенном способе диагностирования работоспособности форсунки показана возможность записи хода иглы съемным датчиком давления, который устанавливается на колпаке форсунки в линии отвода утечек (линия слива чистого топлива).

№.4!16) ИЗВЕСТИЯ Транссиба 35