CC BY
20
4. Gabitov I.I., Negovora A.V., Ryazapov M.M., Gusev D.A. Optimizaciya processa teplovoj podgotovki sel'skohozyajstvennoj tekhniki v usloviyah nizkih temperatur // Tekhnicheskij servis mashin. - 2019. - № 1 (134). - S. 122-130.
5. Negovora A.V., Razyapov M.M., Zakiev M.G., SHerstnev N.A. Izuchenie vliyaniya nizkih temperatur na korobku peredach avtomobilya KAMAZ ZF 16S 1820TO // Avtomobil' dlya Sibiri i Krajnego Severa: konstrukciya, ekspluataciya, ekonomika: sb. mat. 90-j Mezhdunar. nauch.-tekhn. konferencii Associacii avtomobil'nyh inzhenerov / IRNITU. - 2015. - S. 273-278.
6. Negovora A.V., Razyapov M.M., Kurdin P.G., Filippov YU.K., Tokarev V.A. Sovremennye problemy ekspluatacii avtomobilej v usloviyah nizkih temperatur nezavisimo ot klimaticheskoj zony // ZHurnal avtomobil'nyh inzhenerov. - 2017. - № 4 (105). - S. 36-41.
7. Razyapov M.M., Negovora A.V., Filippov YU.K. Predpuskovaya podgotovka dvigatelya i agregatov transmissii avtomobilya k prinyatiyu nagruzki // Izvestiya Mezhdunarodnoj akademii agrarnogo obrazovaniya. - 2012. - Vyp. №14. - T. 1. - S.266-270.
8. Nigmatullin SH.F., Karachurin B.SH. Primenenie precizionnyh elementov dlya regulirovaniya processov upravleniya mashin: materialy mezhdunar. nauch.-prakt. konferencii «Sovershenstvovanie konstrukcii, ekspluatacii i tekhnicheskogo servisa avtotraktornoj i sel'skohozyajstvennoj tekhniki». - Ufa: Bashkirskij GAU, 2013. - S.307-311.
РАСЧЁТНАЯ МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ СООТНОШЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ ГАЗОВ И ПОДАЧИ ВОДЫ В ЧЕТВЁРТОМ ТАКТЕ ДВИГАТЕЛЯ КРОУЭРА
Одним из путей решения проблемы экономии энергоносителей и эффективного использования топливно-энергетических ресурсов является разработка и внедрение тепловых двигателей, реализующих альтернативные термодинамические циклы. Одной из таких конструкций является шеститактный двигатель Кроуэра, использующий в качестве рабочего тела парогазовую смесь [1, 2, 3].
Цель исследования. Целью данной работы является методика определения соотношения остаточных газов и подачи воды, впрыскиваемой в цилиндр двигателя, на четвёртом такте.
Материалы, методы и объекты исследования. Отработавшие газы ДВС должны иметь в своём составе воду в перегретом состоянии, во избежание её конденсации на деталях конструкции и, как следствие, возникновения коррозии. При выполнении теплового расчёта дизельных ДВС давление отработавших газов на выпуске Рг определяется из соотношения (1,05-1,25)Ро , если двигатель атмосферный, или (0,75-0,98)Рк - в случае двигателя с наддувом. В этом случае температура отработавших газов Тг не превышает 120°С, даже если отработавшие газы будут целиком состоять только из водяного пара. В силу идентичности третьего и пятого тактов расширения давления в начале и в конце этих тактов должны быть равны. Давление Рь в конце расширения для дизелей составляет 0,2-0,5 МПа. При тепловом расчёте цикла дизеля используют следующее соотношение [4, 5, 6]:
где Ть - температура отработавших газов в конце расширения, К. Для дизелей составляет 1000-1400 К.
По своей структуре уравнение 1 фактически представляет собой соотношение параметров в политропном процессе с показателем политропы, равным 1,5 [7, 8].
УДК 621.444.2
DOI 10.24411/2078-1318-2019-14128
Канд. техн. наук Д.С. АГАПОВ (ФГБОУ ВО СПбГАУ, different76@list.ru)
(1)
Воспользовавшись данным уравнением, можно определить Ть для случая, когда в качестве рабочего тела выступает чистый водяной пар:
1,5-1
т = т •
1ь 1г
Р
К1 г У
1,5
Учитывая идентичность третьего и пятого тактов расширения рабочего тела в цилиндре двигателя и принимая равные степени последующего расширения 5, по соотношению параметров для политропного процесса [9, 5], найдём температуру Т2 и давление Р2 в начале процесса расширения. При этом следует учесть, что показатель политропы для водяного пара составляет примерно 1,31. Тогда:
т Н2О = Т • (5)1'31-1 Рно = Р •(5)1'3'.
(2)
Гно = Рь -5) . (3)
Если для отработавших газов дизеля температура Т2 составляет 1800-2300 К, то для водяного пара она будет значительно ниже (около 1000 К).
По закону Дальтона (4) можно заключить, что парциальное давление отработавших
газов в точке ъ должно быть р2 оГ =Р 2—р2Н2о •
Р = Р ОГ + Р НО . (4)
То есть молярная доля впрыскиваемой воды составит:
Р
_ 1 2 Н2О
х Н 2О = Р +Р . (5)
1 2 ОГ 1 2 Н2О
А массовая доля впрыскиваемой воды в парогазовой смеси будет равна:
хн2О • МН2О
0>Н 2О=—М—' (6)
где МН(О и М - соответственно, молярные массы воды (МН(О « 0,018 кг/моль) и газопаровой смеси, кг/моль.
М = хн2о • мн2о + хог • МОГ ; (7)
1
М =
или ®Н2о + (РОГ . (8)
МН 2О МОГ
Теперь, зная температуру Т2 и давление Р2 водяного пара, по ь-б диаграмме или справочным таблицам определяем удельную энтальпию водяного пара И2. Из тех же таблиц (или ь-б диаграммы) определим удельную энтальпию воды, подаваемой в цилиндр двигателя И1. Разность этих двух энтальпий И2-И1 определит количество теплоты, отбираемое у отработавших газов для подогрева воды, её испарения и дальнейшего перегрева. Следовательно, из уравнения теплового баланса (9) можно определить изменение температуры оставшихся для теплообмена отработавших газов в цилиндре двигателя.
и — И = °)()1 • с • АТ
2 п\~ с р ОГ ОГ ; (9)
^н 2О
Здесь
тог тог тсм <
тН2о тсм тН2о ®Н2О
Таким образом, в уравнении (9) отношение <ог показывает массу отработавших
<Н 2о
газов, приходящуюся на 1 кг воды.
Тогда температура отработавших газов, оставшихся в цилиндре двигателя для теплообмена перед впрыскиванием воды, должна быть:
Т^ог = Тог + АТог. (10)
Теперь из уравнения Менделеева - Клапейрона для двух состояний газа (а именно после вторичного сжатия и перед расширением) определим отношение масс после сжатия и перед расширением отработавших газов
Р.ог V/
тог, / Я0ог 'Т^ог РгЮг 'Т2'
х- ог
тог Р*ог • Ус/ Т2<ог • Р^ог ' (11)
/Я -Т
/ ог 1 z'
Отношение расхода воды к расходу топлива найдётся из выражения (12):
^н 2о =(От + ) X
< ^ / ч <
Т^ ^вГЛ ШН2о = ( + а 1 ) х ^Н2о п —р;---= I1 + а- 1о)-Х--, (12)
^Т ^Т <ог <ог
где 0Н1о 0Т и Ов - соответственно, часовые расходы воды, топлива и воздуха, кг/ч; а - коэффициент избытка воздуха, а 10 - теоретически необходимая масса воздуха для сгорания 1 кг топлива, кг.
(0Т + Ов)-х - а отношение Нг° - соответственно, молярные массы воды
<ог
(Мн о « 0,018 кг/моль) и газопаровой смеси, кг/моль.
Для достоверности использованного выше в расчётах показателя политропы его значение было определено экспериментально. В качестве объекта исследования выступал тракторный дизель СМД-14 с установленным на нём оборудованием для индицирования. Данный двигатель устанавливался на тракторы ДТ-75М, болотоходные и лесохозяйственные тракторы, а также зерноуборочные комбайны. Дизель СМД-14 является рядным, четырёхтактным, четырёхцилиндровым двигателем с непосредственным впрыском топлива жидкостного охлаждения. Имеет диаметр цилиндра 120 мм, ход поршня 140 мм и рабочий объём цилиндров 6,3 литра. При частоте вращения коленчатого вала 1800 мин-1 развивает мощность 61,1 кВт. Удельный эффективный расход топлива на режиме номинальной мощности не превышает 210 г/кВт-ч.
Индикаторная диаграмма дизеля СМД-14 (рис.1) снималась для условий полных нагрузок на номинальной частоте вращения коленчатого вала.
На основании имеющихся данных об углах поворота коленчатого вала ф определяем соответствующие этим углам значения полного объёма цилиндра У, по формуле (13):
п-В
2
У = Ус +--Я■
1 с 4
Я
(1 - соБф) + — - (1 - соб 2ф)
(13)
где Ус - объём камеры сгорания (сжатия) дизеля, В - диаметр цилиндра двигателя, Я радиус кривошипа коленчатого вала, Ь - длина шатуна кривошипно-шатунного механизма.
f Результаты индицирования
00®
i
-30 -20 -10 0 10 20 30 Угол поворота коленчатого вала
Параметры курсора Угол п. к.в.
ДДГ
ШТ
-Выбор кривой
Масштаб
ДДГ ддт
- г
-
Развертка по углу
< I ► I
Параметры диаграммы
Номер изм. Цилиндр Рг (кг/см*) Р\ (кг/см*) N (об/мин) Рн (кг/см*)
|75.099 |2.4321 [799
Печать
Выход
Рис. 1. Индикаторная диаграмма дизеля СМД-14 на номинальном режиме работы
Затем из соответствующих значений давления вычисляем показатель политропы для всех участков индикаторной диаграммы по формуле (14):
P
ln
n = (14)
ln
V+1
где Pi и Vi - соответственно, значения давления и объёма в начале рассматриваемого участка индикаторной диаграммы; Pi+i и Vi+i - соответственно, значения давления и объёма в конце рассматриваемого участка индикаторной диаграммы.
Аналогичным образом, рассматривая в качестве участка индикаторной диаграммы весь процесс выпуска, определим показатель политропы газа в этом процессе.
Некоторую техническую трудность представляет размещение второй форсунки в головке этого двигателя для подачи воды из-за недостаточного количества свободного места. Потому наиболее рациональным решением является применение комбинированной форсунки (рис. 2) с двойным сопловым наконечником (рис. 3) [10].
Рис. 3. Двойной сопловой наконечник для совместного впрыска воды и топлива в камеру сгорания двигателя 46-й серии фирмы Wartsila
Результаты исследований. По результатам проведённого теплового расчёта для атмосферного дизеля типа СМД-14 при различных соотношениях массовых долей выпускаемых отработавших газов двигателя определён массовый расход воды относительно расхода топлива (табл.).
Таблица • Массовый расход воды относительно топлива для дизеля СМД-14 при различных значениях массовых долей выпускаемых отработавших газов в четвёртом такте
Массовая доля выпуска отработавших газов, % 9 17 23 29 33
Массовая доля оставшихся в цилиндре отработавших газов, % 91 83 77 71 67
Массовое соотношение остаточных газов и воды, % 2 6 12 21 34
Молярное соотношение остаточных газов и воды, % 3 10 20 34 55
Отношение расхода воды к расходу топлива по массе, % 42 116 214 342 516
Создана компьютерная программа, позволяющая производить указанные расчёты в
автоматическом режиме.
ВЫВОДЫ. Представленная выше методика позволяет определить массовое и молярное соотношения остаточных газов и воды, впрыскиваемой в цилиндр двигателя, на четвёртом такте шеститактного двигателя Кроуэра, вычислить массовую долю выпускаемых отработавших газов и долю остаточных газов в четвёртом такте цикла двигателя, а также найти расход воды относительно расхода топлива. Создана компьютерная программа, позволяющая производить указанные расчёты в автоматическом режиме.
Литература
1. Патент 2007/0022977 A1 США, МКИ F01B29/04. Method and apparatus for operating an internal combustion engine / Crower H.B., 2007.
2. Патент 4809511 США, МКИ F02B75/02. Internal combustion engine / Bajulaz R., 1989.
3. [Электронный ресурс]: URL: http:// www.bajulazsa.com (дата обращения: 02.10.2019).
4. Николаенко А.В. Теория, конструкция и расчет автотракторных двигателей: учебник для вузов по специальности «Механизация сельского хозяйства». - 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Колос, 1992. - 413 с.
5. Кузовлев В.А. Техническая термодинамика и основы теплопередачи: учебник для машиностр. спец. техникумов - 2-е изд., перераб. и доп./ Под ред. Л.Р. Стоцкого. - М.: Высш. шк., 1983. - 335 с.
6. Колчин Д.И., Демидов В.П. Расчёт автомобильных и тракторных двигателей. - М.: Высшая школа, 2002. - 496 с., ил.
7. Арнольд Л.В., Михайловский Г.А., Селиверстов В.М. Техническая термодинамика и теплопередача. - М.: Высшая школа, 1979. - 446 с.
8. Лашутина Н.Г., Макашова О.В., Медведев Р.М. Техническая термодинамика с основами теплопередачи и гидравлики [Текст]: Учеб. пособие / Под общ. ред. Р.М. Медведева. - Л: Машиностроение, 1988. - 336 с.: ил.
9. Ицкович А.М. Основы теплотехники. - М.: Высшая школа, 1975. - 344 с.
10. [Электронный ресурс]: http://mirmarine.net (дата обращения: 15.10.2019).
Literatura
1. Patent 2007/0022977 A1 SSHA, MKI F01B29/04. Method and apparatus for operating an internal combustion engine / Crower H.B., 2007.
2. Patent 4809511 SSHA, MKI F02B75/02. Internal combustion engine / Bajulaz R., 1989.
3. [Elektronnyj resurs]: URL: http:// www.bajulazsa.com (data obrashcheniya: 02.10.2019).
4. Nikolaenko A.V. Teoriya, konstrukciya i raschet avtotraktornyh dvigatelej: uchebnik dlya vuzov po special'nosti «Mekhanizaciya sel'skogo hozyajstva». - 2-e izd., pererab. i dop. - M.: Kolos, 1992. - 413 s.
5. Kuzovlev V.A. Tekhnicheskaya termodinamika i osnovy teploperedachi: uchebnik dlya mashinostr. spec. tekhnikumov - 2-e izd., pererab. i dop./ Pod red. L.R. Stockogo. - M.: Vyssh. shk., 1983. - 335 s.
6. Kolchin D.I., Demidov V.P. Raschyot avtomobil'nyh i traktornyh dvigatelej. - M.: Vysshaya shkola, 2002. - 496 s., il.
7. Arnol'd L.V., Mihajlovskij G.A., Seliverstov V.M. Tekhnicheskaya termodinamika i teploperedacha. - M.: Vysshaya shkola, 1979. - 446 s.
8. Lashutina N.G., Makashova O.V., Medvedev R.M. Tekhnicheskaya termodinamika s osnovami teploperedachi i gidravliki [Tekst]: Ucheb. posobie / Pod obshch. red. R.M. Medvedeva. - L: Mashinostroenie, 1988. - 336 s.: il.
9. Ickovich A.M. Osnovy teplotekhniki. - M.: Vysshaya shkola, 1975. - 344 c.
10.[Elektronnyj resurs]: http://mirmarine.net (data obrashcheniya: 15.10.2019).
УДК 621.43. 631.37 Б01 10.24411/2078-1318-2019-14134
Канд. техн. наук А.А. ГЛУЩЕНКО (ФГБОУ ВО УлГАУ, oildel@yandex.ru) Канд. техн. наук Р.А. ЗЕЙНЕТДИНОВ (ФГБОУ ВО СПбГАУ, zra61@mail.ru)
ОПТИМИЗАЦИЯ ВЫБОРА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ ПРОЦЕССА РЕГЕНЕРАЦИИ ОТРАБОТАННЫХ МАСЕЛ
При решении экологических проблем значительную роль играют процессы переработки образующихся отходов в виде отработанных смазочных масел. Рациональное использование вторичных продуктов основного производства и получение целевых продуктов обеспечивает решение не только экономических проблем, но и снижение экологической напряженности промышленного и сельскохозяйственного производства. Задача максимального вовлечения отработанных нефтепродуктов в переработку является актуальной в условиях усиливающегося спроса на нефтепродукты и возрастающих требований к их качеству, повышению безопасности и защиты окружающей среды [1].
Качество восстановления эксплуатационных свойств отработанных смазочных материалов в процессе регенерации во многом определяется используемой технологией, являющейся наиболее дорогостоящим и длительным этапом. В свою очередь эффективность технологии определяется набором технологических операций, реализуемых с использованием различного технологического оборудования и их режимных параметров. Поэтому одной из ключевых задач повышения эффективности и безопасности используемых технологий является выбор технологических операций и оборудования.
Поскольку любая технология может быть реализована массой альтернативных вариантов технологических операций, одним из методов выбора является метод иерархичности. В этом случае, разбивая альтернативы вместе с обуславливающими их ограничениями по уровням, повышается надежность, упрощается решение и, следовательно, повышается его точность.
