CC BY
21Окончание. Начало см. в № 3 (75) 2020 г.
Расчетные исследования способов подачи воды в цилиндры дизельного двигателя
В. А. Марков
Профессор, заведующий кафедрой «Поршневые двигатели» МГТУ им. Н.Э. Баумана, д.т.н.
А. С. Кулешов
Профессор кафедры «Поршневые двигатели» МГТУ им. Н.Э.Баумана, д.т.н.
А. Д. Денисов
Старший преподаватель кафедры «Технологии машиностроения и систем автоматизированного проектирования» (ТМС и САПР) Коломенского института (филиал) ФГБОУ ВО «Московский политехнический университет»
А. Н.Зенкин
Студент кафедры «Поршневые двигатели» МГТУ им. Н. Э. Баумана
А. С.Землемерова
Студентка кафедры «Поршневые двигатели» МГТУ им. Н. Э. Баумана
Рассмотрены возможности использования подачи воды в цилиндры для снижения выбросов токсичных компонентов отработавших газов дизелей. Введены расчётные исследования дизеля типа Д-245 (4 ЧН 11/12,5) юизводства Минского моторного завода с различными способами подачи воды во впускную систему дизеля и непосредственно в цилиндр. Проведён сравнительный анализ показателей топливной экономичности и токсичности отработавших газов при подаче воды во впускной коллектор до и после компрессора, во впускной патрубок вблизи впускного клапана и при непосредственном впрыскивании воды в цилиндр дизеля.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА:
двигатель внутреннего сгорания, дизельный двигатель, вода, водотопливная эмульсия, топливная экономичность, показатели токсичности отработавших газов
Современные программные комплексы для моделирования и оптимизации рабочего процесса дизелей
Современное программное обеспечение для моделирования и оптимизации рабочего процесса дизелей весьма разнообразно. Значительные усилия учёных сосредоточены на развитии технологии Computational Fluid Dynamic (CFD), реализующей трёхмерное моделирование течения газа и впрыскиваемого топлива в цилиндрах и коллекторах ДВС. Рассматриваемые элементы двигателя разбиваются на большое количество ячеек (300...600 тыс.), в каждой из которых решается система уравнений сохранения массы, энергии, количества движения. В ходе расчёта моделируются процессы испарения, сгорания и образования вредных веществ.
Наибольшей популярностью пользуются следующие программы: KIVA (Los Alamos), FIRE (AVL), VECTIS (Ricardo), STAR-CD (Computational Dynamics Ltd.) [32-34]. Значительные усилия предпринимаются для организации расчёта в них эмиссии сажи, NOx и CO. Однако утверждать, что эта задача решена, преждевременно. Достоверность результатов расчёта, как правило, недостаточная для практических нужд.
Существенным недостатком CFD является трудоёмкость расчётов и необходимость использования суперкомпьютеров. Время счёта одного варианта составляет десятки и даже сотни часов. Подготовка
>
квалифицированным специалистом данных для одного варианта расчёта занимает несколько дней. Инженерная оптимизация процесса ДВС с расчётом множества вариантов конструкций пока невозможна, хотя эти программы с успехом используются для других целей, например, для доводки газовоздушного тракта ДВС.
Наряду с CFD традиционно существует и развивается другой подход — термодинамический или феноменологический, использующий 0- и 1-мерные представления. Мировыми лидерами популярности здесь являются программы BOOST (AVL), WAVE (Ricardo), GT-Power (Gamma Technologies). Из отечественных разработок, доведённых до коммерческого исполнения, следует назвать программы ИМПУЛЬС и ВОЛНА (ЦНИДИ), а также ДИЗЕЛЬ-РК (МГТУ им. Н. Э. Баумана). Конкурирующие между собой программы BOOST, WAVE и GT-Power представляют собой весьма совершенные разработки, в частности, для отработки газовоздушного тракта и подбора агрегатов наддува. Для работы такой программы достаточно процессора Pentium. Для расчёта сгорания эти программы используют методики, базирующиеся на уравнениях, предложенных ещё в 1962 году И. И. Вибе, или на более поздних, но аналогичных подходах. Все зарубежные программы позволяют пользователям подключать свои подпрограммы для расчёта процесса сгорания.
Но именно моделирование смесеобразования и сгорания представляет собой основную проблему при разработке таких программ. В лучшем случае применяются расчётные методы, каким-либо образом учитывающие характеристику впрыскивания и мелкость распыливания, среднее расстояние от сопел до стенки и турбулизацию заряда. В частности, в последней версии программы ИМПУЛЬС (ЦНИДИ) и ранних версиях программы ДИЗЕЛЬ (МВТУ им. Н. Э. Баумана) реализована методика расчёта сгорания, опубликованная проф. Разлейцевым Н.Ф. в 1980 году [35]. В американской программе GT-Power (в качестве дополнительной к модели Вибе) реализована модель сгорания проф. Хироясу (Hiroyasu), в которой рассматривается развитие свободной струи.
Для моделирования рабочего процесса дизеля, работающего на нефтяном дизельном топливе и биотопливах на основе растительных масел, использован программный комплекс (ПК) ДИЗЕЛЬ-РК, разработанный в МГТУ им. Н. Э. Баумана и предназначенный для расчётных исследований рабочих процессов двух- и четырёхтактных ДВС без наддува и с турбонаддувом [32-34, 36-38]. ПК ДИЗЕЛЬ-РК позволяет проводить расчётные исследования рабочего процесса практически любых ДВС. Он прошёл проверку на двигателях различной размерности, быстроходности и назначения. При этом достигается хорошее соответствие расчётных и экспериментальных данных.
Использование математических моделей, отражающих сущность физических процессов, происходящих в двигателе, позволяет получить высокую точность результатов численного эксперимента с использованием ПК ДИЗЕЛЬ-РК. Опыт использования программного комплекса ДИЗЕЛЬ-РК применительно к двигателям разного размера и назначения показал, что программа позволяет проводить расчёты без трудоёмкой предварительной настойки используемых коэффициентов на конкретный двигатель. Правильно настроенная математическая модель комбинированного ДВС позволяет при идентичных эмпирических коэффициентах производить весьма точный расчёт
различных режимов работы двигателей, включая режимы малой мощности.
В программном комплексе ДИЗЕЛЬ-РК используется широкий набор расчётных методов для моделирования происходящих в двигателе сложных физических процессов. Для достижения универсальности предпочтение отдаётся не эмпирическим, а более трудоёмким методам, моделирующим процессы, происходящие в ДВС. Для расчёта смесеобразования и сгорания в дизелях используется РК-модель, в основе которой лежит расчётный метод, предложенный в начале 90-х годов профессором Н. Ф. Разлейцевым и в дальнейшем доработанный профессором А. С. Кулешовым [38]. РК-модель учитывает особенности характеристики впрыска, включая многофазный впрыск, мелкость распыливания топлива, ориентацию струй в объёме КС, динамику развития топливных струй, взаимодействие струй с воздушным вихрем и стенками. Учитываются условия развития каждой топливной струи и образованных струями пристеночных потоков, а также их взаимодействие между собой. По своей идеологии РК-модель близка к модели, разработанной профессором Хироясу, хотя имеет существенные отличия, главным образом связанные с более детальным рассмотрением взаимодействия топливных струй со стенками и между собой.
ПК ДИЗЕЛЬ-РК включает подпрограмму расчёта образования оксидов азота в цилиндре ДВС, основанную на термическом механизме на основе схемы академика Я. Б. Зельдовича. Определение состава продуктов сгорания осуществляется по 18 компонентам. Для определения температур используется зонная модель (методика проф. В. А. Звонова). При математическом моделировании сгорания и образования оксидов азота в двигателе процесс сгорания условно разделён на две зоны: зону свежей смеси и зону продуктов сгорания. Зона свежей смеси представляет собой смесь остаточных газов с воздухом, поступившим в цилиндр при наполнении. Перед началом сгорания эта зона занимает весь объём цилиндра. В ходе сгорания происходит увеличение объёма зоны продуктов сгорания.
При разработке двухзонной математической модели процесса сгорания принято допущение, что горение топлива в цилиндре протекает с локальным коэффициентом избытка воздуха а в зоне горения, значение которого в процессе сгорания изменяется от его начальной величины агн<1 до агн=1.
Текущее значение коэффициента избытка воздуха аг на участке сгорания определяется линейной зависимостью:
где ф2 — продолжительность процесса сгорания, °ПКВ; ф — текущее значение угла поворота кривошипа от начала сгорания, °ПКВ.
Особенностями разработанной методики являются расчёт равновесного состава в зоне продуктов сгорания для восемнадцати компонентов на каждом шаге расчёта и кинетический расчёт образования термических оксидов азота по цепному механизму академика Я. Б. Зельдовича.
Расчёт температуры продуктов сгорания в зоне сгорания выполняется по формуле
где А и В вида:
коэффициенты уравнения для энтальпии продуктов сгорания
НПС(ТПС)=А • Тпс2+В • Тпс+С, кДж/кмоль.
Коэффициенты А, В, С определяются в результате специальных расчётов, например, для продуктов сгорания дизельного топлива: А=0,000966; В=35,4882 + 0,47283 р; гпс — доля продуктов сгорания в заряде цилиндра; р — давление в цилиндре в конце расчётного участка, МПа; Тсм — температура свежей смеси в конце расчётного участка; К; Тср — средняя температура заряда в конце расчётного участка, К; Нсм — энтальпия свежей смеси, кДж/кмоль.
Энтальпия свежей смеси определяется из выражения
Н (Т )=[а + 8,314 + Ь Т / 2 + с Т 2/3] • Т ,
см4 см' '-см "и-"* ''см см ' см см'^ см>
где асм, Ьсм, ссм — коэффициенты уравнения истинной мольной изохорной теплоёмкости сжимаемого заряда.
Поскольку для условий сгорания топлив в двигателях внутреннего сгорания определяющим является образование «термических» оксидов азота, то в предлагаемой модели все расчёты производятся по термическому механизму.
Окисление азота в КС дизеля происходит по цепному механизму, основные реакции которого имеют вид:
О2 о 20; (1)
N + о о N0 + N (2)
N + 0 о N0 + 0.
(3)
Определяющей является реакция (3), скорость которой зависит от концентрации атомарного кислорода. Расчёт образования N0 по уравнению цепного механизма производится для зоны сгорания, затем определяется средняя по КС концентрация N0. Объёмная доля оксида азота в продуктах сгорания гш, образовавшихся в зоне на данном шаге расчёта, определяется в виде:
с/г.
N0
38020 ( л 2
/?■ 2,333-107 е Гпс г0 ■ 2ед ед 1-
^N0 ^ Щ1 1
ВТ
3365
1 +
2346
N0
О)
где р — давление в цилиндре, Па; Тпс — температура в зоне продуктов сгорания, К; К — универсальная газовая постоянная, Дж/(моль-К); и — угловая скорость коленчатого вала, рад/с; гж е(], гт е(], г0 е(], г02 е(] — равновесные концентрации оксида азота, молекулярного азота, атомарного и молекулярного кислорода соответственно.
Равновесные концентрации компонентов рассчитываются на каждом шаге расчёта. Расчёт ведется для 18 компонентов ОГ: 0 , 02, 03, Н, Н2, 0Н, Н20, С, С0, С02, СН4, N N0, N0^ NH3, Ш03, НС^ Для этого решается система из 14 уравнений равновесия, трёх уравнений материального баланса и уравнения Дальтона. При этом доля оксида азота в целом по КС (цилиндру) гШц определяется в виде произведения равновесной концентрации монооксида азота гш и равновесной концентрации продуктов сгорания гпс:
г = г г
Шц 'N0 'пс'
Удельный выброс оксида азота N0 вычисляется по формуле, г/(кВт-ч):
ТРАНСПОРТ И ЭКОЛОГИЯ
где Мп
количество продуктов сгорания в конце сгорания, кмоль;
Ьц — работа, выполненная за весь рабочий цикл, кДж; пм — механический КПД двигателя.
Программный комплекс ДИЗЕЛЬ-РК включает подпрограмму расчёта эмиссии сажи, основанную на методике проф. Н. Ф. Разлейцева, в которой сделана попытка учёта влияния особенности процесса горения распыленного топлива на образование и выгорание сажевых частиц. Принято, что сажевые частицы образуются преимущественно двумя путями: в результате цепного деструктивного превращения молекул топлива, диффундирующих от поверхности капель к фронту пламени, и вследствие высокотемпературной термической полимеризации и дегидрогенизации парожидкостного ядра испаряющихся капель топлива. Параллельно этим двум процессам происходит выгорание сажевых частиц и уменьшение их объёмной концентрации вследствие расширения.
В предлагаемой методике скорость сажеобразования в зоне горения определяется из соотношения
/ .Г„1\
с1х
К =0,004- ——, V ёт
где V — текущий объём цилиндра; qc — цикловая подача топлива; dx/dт — скорость тепловыделения.
Скорость сажеобразования по механизму полимеризации ядер капель пропорциональна скорости исчезновения жидких капель вследствие их полного испарения. Для разных процессов она вычисляется по разным зависимостям. На участке впрыска использована зависимость
£Н
с/т
1-ехр
П = 1,7
%
4кх
V 32 ;
\п*
БПр
где т — текущее время от начала впрыскивания; твпр — продолжительность впрыскивания; п' — характеристика распределения (для дизельных форсунок п' = 2...4); К — константа испарения; й32 — средний диаметр капель по Заутеру.
Для периода после окончания топливоподачи использована формула
с1т
П = 0,0028^1 - Хвпр )
Тлч
V дъг )
ехр
■4Кт
32
\п
где т2 — текущее время от конца подачи топлива; хвпр — доля теплоты, выделившейся к концу топливоподачи. Скорость выгорания сажи определяется по выражению
где р — текущее давление в цилиндре, МПа; [С] = С'/V — текущая концентрация сажи в объёме цилиндра.
Скорость изменения концентрации сажи в цилиндре на такте расширения вычисляется в виде
Тогда результирующая скорость изменения концентрации сажи в цилиндре определяется в виде суммы:
С
"Iе!
dт
\ f -В
ш
dx
/
+ В
\
hГ
Ш
dx
П
№ dx
Б
ад
dx
-
V
где В = А (пном /п)т — построчный множитель; п, пном — частота вращения коленчатого вала; А и т — эмпирические коэффициенты.
Концентрация сажи в ОГ, приведённая к нормальным условиям, рассчитывается по формуле
И -I
diр
4S0 Фв dx
Gn
ОД
480
где р480 — давление в цилиндре в момент 60 °ПКВ до НМТ; k — показатель адиабаты ОГ (принят равным 1,33).
Перевод полученного значения концентрации сажи C [г/м3] в единицы шкалы Хартриджа осуществляется по уравнению:
Hartridge=l00[l-0,9545 exp(-2,4226 [C])].
По аналогичным эмпирическим зависимостям концентрация сажи C может быть переведена в единицы шкалы Bosch, а также в единицы коэффициента абсолютного светопоглощения K, m-1. Показатель эмиссии твёрдых частиц может быть вычислен по эмпирической формуле Алкидаса в зависимости от дымности выхлопа:
^1,206
[РМ]=565| 1П-
10
10-Bosch
ПК ДИЗЕЛЬ-РК включает подпрограмму расчёта параметров дизеля при подаче воды во впускную систему дизеля и непосредственно в цилиндр. На рис. 10 приведена вкладка (окно) ПК ДИЗЕЛЬ-РК, в которой задаётся тип топливной системы, место подачи воды и продолжительность впрыска воды (в °ПКВ). На рис. 11 показаны способы подачи воды в КС дизеля, которые могут быть реализованы и рассчитаны с использованием ПК ДИЗЕЛЬ-РК.
РИС. 10
Вкладка(окно)ПК ДИЗЕЛЬ-РК, в которой задаётся тип топливной системы, место подачи воды и продолжительность впрыска воды (в °ПКВ)
РИС. 11
Способы подачи воды в КС дизеля:
а - перед компрессором; б - в коллектор после компрессора; в - в патрубок перед впускным клапаном; г - в цилиндр двигателя
Представленное описание ПК ДИЗЕЛЬ-РК и проведённые тестовые расчёты показателей быстроходных дизелей подтверждают возможность его использования для моделирования рабочего процесса дизеля, работающего на нефтяном дизельном топливе с впрыском воды во впускную систему дизеля и непосредственно в КС дизеля.
Ш
В; Си st от fuel syste
б
В качестве объекта расчётных исследований выбран дизель типа Д-245 (4 ЧН 11/12,5) с КС типа ЦНИДИ и несимметричным расположением форсунок. Некоторые параметры дизеля представлены в табл. 2.
а
в
г
Параметры Значения
ТАБЛИЦА 2 1 Тип двигателя Четырёхтактный, рядный
Некоторые параметры
дизеля типа Д-245 2 Число цилиндров 4
(4 ЧН 11/12,5)
3 Диаметр цилиндра 0, D=110, S=125
ход поршня Б, мм
4 Общий рабочий объём 4,32
К л
5 Степень сжатия £ 16,0
6 Тип КС, способ КС типа ЦНИДИ, объёмно-плёночное
смесеобразования смесеобразование
7 Система питания ТНВД типа PP4M10U1f фирмы Motorpal
8 Диаметр плунжеров ТНВД d , их ход Ь , мм пл " пл' d =10, h =10 пл ' пл
9 Длина нагнетательных топливопроводов Lт, мм 540
10 Форсунки Типа ФДМ-22 производства ОАО «Куроаппаратура» (г. Вильнюс)
11 Распылители форсунок Фирмы Motorpal типа DOP 119S534 с пятью соплами с d =0,34 мм и Мр/р=0,250 мм2 р
12 Давление начала впрыскивания форсунок Р,^ МПа 21,5
Дизель оснащён турбокомпрессором ТКР-6 Борисовского завода автоагрегатов, ТНВД фирмы Motorpal (Чехия) модели PP4M10U1 f с диаметром плунжеров dпл =10 мм, их ходом ^пл=10 мм и форсунками ФДМ-22 АО «Куроаппаратура» (г. Вильнюс), отрегулированными на давление начала впрыскивания Рфо = 21,5 МПа. В дизеле использована КС типа ЦНИДИ и организовано объёмно-плёночное (пристеночное) смесеобразование с частичным попаданием топливных струй на стенки
КС, прилегающие к горловине (см. рис. 10) [39, 40]. Дизельные форсунки установлены в головке цилиндров со смещением Д(ф =10 мм (рис. 12).
При расчётах исследовалась система топливоподачи дизеля типа Д-245 со штатными распылителями типа DOP 119 S 534 фирмы Motorpal (Чехия). При расчётных исследованиях задавался закон подачи, представленный в табл. 3, формируемый кулачками ТНВД модели PP4M10U1f на номинальном режиме работы дизеля Д-245 с частотой вращения коленчатого вала п=2400 мин-1 и цикловой подачей топлива = 80 мм3 [40].
Результаты расчётных исследований способов подачи воды в цилиндры исследуемого дизеля типа Д-245, работающего на режиме максимальной мощности при п = 2400 мин-1, с использованием ПК ДИЗЕЛЬ-РК представлены в табл. 4. Эти данные свидетельствуют о том, что все исследованные способы подачи воды в КС дизеля (её впрыскивание на впуске перед компрессором
РИС. 12
Камера сгорания дизеля типа Д-245 со схемой расположения форсунки (а) и ориентация струй распыливаемого топлива в КС (б): 1, 2,3, 4, 5 - номера струй распыливаемого топлива
Угол Скорость
поворота впрыскивания,
вала ф, м3/с °ПКВ
Угол Скорость
поворота впрыскивания,
вала ф, м3/с °ПКВ
Угол Скорость
поворота впрыскивания,
вала ф, м3/с °ПКВ
0 0 6,0 8,6-10-5 12,0 8,8-10-5
1,0 2,2-10-5 7,0 8,5-10-5 13,0 8,2-10-5
2,0 5,6-10-5 8,0 8,4-10-5 14,0 6,4-10-5
3,0 7,6-10-5 9,0 9,5/10-5 15,0 4,4-10-5
ТАБЛИЦА 3
Закон подачи топлива дизеля типа Д-245 на режиме с частотой вращения п=2400 мин-1 и цикловой подачей qц = 80 мм3
4,0 8,0-10-5 10,0 9,4-10-5 16,0 0
5,0 8,4-10-5 11,0 9,2-10-5
турбокомпрессора, в коллектор после компрессора, в патрубок перед впускным клапаном, непосредственно в цилиндр двигателя) свидетельствуют
об эффективности этих способов при снижении токсичности ОГ дизеля.
Указанные расчёты выполнены на режиме максимальной мощности с Ые = 85,5 кВт при п = 2400 мин-1. Исследования проведены со следующими фазами газораспределения: начало выпуска — 52 °ПКВ до НМТ, конец
Показатели Значения показателей дизеля при различной доле (масс.)
подачи воды
ТАБЛИЦА 4
Показатели дизеля типа Д-245 на режиме максимальной мощности с N2 = 85,5 кВт (в чисто дизельном цикле) при п=2400 мин-1 при различных способах подачи воды в КС
Впрыскивание воды на впуске перед компрессором турбокомпрессора
Удельный эффек- 213,99 214,22 +0,1% 214,38 +0,2% 214,59 +0,3%
тивный расход топлива де, г/(кВт-ч)
удельньш выброс 3,049 3,028 -0,7% 3,009 -1,3% 2,994 -1,8 %
оксидов азота еМОх , г/(кВт-ч)
удельный выброс 0,352 0,350 -0,6% 0,348 -1,1% 0,347 -1,4%
твёрдых частиц еТЧ, г/(кВт-ч)
Впрыскивание воды в коллектор после компрессора
удельный эффек- 213,99 215,75 +0,8% 216,75 +1,3% 217,64 +1,7%
тивный расход топлива де, г/(кВт-ч)
Удельный выброс 3,049 2,926 -4,0% 2,836 -7,0% 2,755 -9,6%
оксидов азота еМОх , г/(кВт-ч)
Удельный выброс 0,352 0,347 -1,4% 0,343 -2,6% 0,340 -3,4%
твёрдых частиц еТЧ, г/(кВт-ч)
Впрыскивание воды в патрубок перед впускным клапаном
удельный эффек- 213,99 215,70 +0,8% 216,98 +1,4% 217,84 +1,8%
тивный расход топлива де, г/(кВт-ч)
удельный выброс 3,049 2,916 -4,4% 2,795 -8,3% 2,723 -10,7%
оксидов азота еМОх , г/(кВт-ч)
удельный выброс 0,352 0,346 -1,7% 0,341 -3,1% 0,338 -4,0%
твёрдых частиц еТЧ, г/(кВт-ч)
Впрыскивание воды в цилиндр двигателя
удельный эффективный расход топлива де, г/(кВт-ч)
удельный выброс оксидов азота еМОх , г/(кВт-ч)
удельный выброс твёрдых частиц еТЧ, г/(кВт-ч)
213,99 219,34 +2,5%
3,049 2,622 -14,0%
0,352 0,337 -4,3%
223,19 +4,3% 225,94 +5,6% 2,297 -24,7% 2,012 -34,0% 0,326 -7,4% 0,321 -8,8%
выпуска — 18 °ПКВ после ВМТ, начало впуска — 16 °ПКВ до ВМТ, конец впуска — 42 °ПКВ после ВМТ. На номинальном режиме работы дизеля типа Д-245 установочный (статический) угол опережения впрыскивания топлива (УОВТ) составлял 9стат = 10 °ПКВ до ВМТ. Это установочный (статический) УОВТ, определяемый на выходе из штуцера топливного насоса высокого давления (ТНВД).
В разделённых системах топливоподачи (в которых ТНВД и форсунки соединены длинными нагнетательными топливопроводами) действительный (динамический) УОВТ, соответствующий моменту начала подъёма иглы форсунки, уменьшается по сравнению с установочным УОВТ. Это уменьшение УОВТ соответствует времени прохождения волны давления от ТНВД до форсунки со скоростью звука, которая для дизельного
0% Н2О 10% Н2О й 20% Н2О й 30% Н2О й
топлива равна с = 1300 м/с. При длине топливопровода Ь = 540 мм (0,54 м) эта задержка начала подачи топлива составляет
М = Ь/с = 0,54 м / 1300 м/с = 0,000415 с, что при частоте вращения коленчатого вала двигателя п = 2400 мин-1 соответствует Д9 = 6 °ПКВ. Поэтому динамический УОВТ на исследуемом режиме принят равным 9дин = 4 °ПКВ до ВМТ. Продолжительность топливоподачи составляла 17 °ПКВ.
При впрыскивании воды в цилиндры дизеля рассмотрен угол опережения впрыскивания воды, равный 5 °ПКВ до ВМТ и продолжительность впрыскивания, равная 15 °ПКВ. С точки зрения достижения минимума эмиссии оксидов азота наилучшим моментом впрыскивания воды является 40 °ПКВ до ВМТ и продолжительность впрыскивания, равная 15 °ПКВ (рис. 13). Такие же параметры впрыска воды приняты и в остальных способах подачи воды в КС исследуемого дизеля.
Полученные результаты расчётных исследований свидетельствуют о том, что все рассмотренные способы подачи воды в цилиндры исследуемого дизеля обеспечивают снижение выбросов двух наиболее значимых токсичных компонентов ОГ дизелей —
СО -зп
оксидов азота и твердых частиц. При Ц |—'
этом рассмотрены варианты подачи воды во впускную систему дизеля (перед компрессором, в коллектор после компрессора, в патрубок перед впускным клапаном) и непосредственно §. о
в цилиндр дизеля. Массовая доля подачи ™ \
воды изменялась в диапазоне от нуля (работа в чисто дизельном цикле) до 30% | 10 (масс.) от цикловой подачи топлива. |
С точки зрения снижения выбросов | |
оксидов азота и твёрдых частиц наиболее Ц эффективным является впрыскивание воды непосредственно в цилиндр дизеля. При работе дизеля типа Д-245 на режиме
максимальной мощности с Ме = 85,5 кВт при п = 2400 мин-1 с цикловой подачей топлива qц = 80 мм3 (63,5 мг) подача воды непосредственно в цилиндр в количестве 19 мг (30% по массе) приводит к снижению выброса оксидов азота еШх с 3,049 до 2,012 г/(кВт-ч), то есть на 34,0%, уменьшению выброса твердых частиц еТЧ с 0,352 до 0,321 г/(кВт-ч), или на 8,8%. При этом удельный эффективный расход топлива де увеличивается с 213,99 до 225 г/(кВт-ч), или на 5,6% по сравнению с чисто дизельным циклом (без подачи воды).
Следует также отметить, что при реализации всех рассмотренных способов подачи воды в цилиндры дизеля и увеличении её массовой доли выбросы оксидов азота еШх и твёрдых частиц еТЧ монотонно уменьшались, а удельный эффективный расход топлива де — увеличивался. Однако при небольших подачах воды увеличение расхода топлива оказалось незначительным. Так, при подаче воды непосредственно в цилиндры дизеля в количестве 10% удельный эффективный расход топлива де возрос лишь на 2,5%, а выброс оксидов азота еШх снизился на 14,0%. Это обстоятельство позволяет рассматривать подачу воды в цилиндры дизеля как эффективное средство снижения выбросов оксидов азота с отработавшими газами двигателей внутреннего сгорания.
8 ж
20
40
опережения впрыскивания воды, °ГЖВ до ВМТ
РИС. 13
Графики зависимости удельных выбросов оксидов азота от угла опережения впрыскивания воды непосредственно в цилиндр дизеля и продолжительности такого впрыскивания
ТРАНСПОРТ Заключение
И ЭКОЛОГИЯ Представленные результаты проведённого комплекса расчётных
исследований сводятся к следующим основным выводам:
1. Рассмотрены возможности использования подачи воды в цилиндры дизеля для снижения выбросов токсичных компонентов отработавших газов. Исследованы различные способы подачи воды в цилиндры дизеля — её впрыскивание перед компрессором, в коллектор после компрессора, в патрубок перед впускным клапаном и непосредственно в цилиндр дизеля.
2. Проведены расчётные исследования показателей топливной экономичности и токсичности отработавших газов дизеля типа Д-245 (4 ЧН 11/12,5) при реализации указанных способов подачи воды в цилиндры. Подтверждена возможность снижения токсичности отработавших газов при реализации этих способов подачи воды в цилиндры.
3. Проведён сравнительный анализ показателей топливной экономичности и токсичности отработавших газов дизеля при подаче воды в цилиндры. При снижении токсичности отработавших газов исследуемого дизеля наиболее эффективным является непосредственное впрыскивание воды в цилиндр дизеля.
4. При работе дизеля типа Д-245 на режиме максимальной мощности с N = 85,5 кВт при п = 2400 мин-1 с цикловой подачей топлива, равной 63,5 мг, и подачей воды непосредственно в цилиндр в количестве 19 мг (30% по массе) снижаются выбросы оксидов азота еШх с 3,049 до 2,012 г/(кВт-ч), то есть на 34,0%, а также выбросы твёрдых частиц еТЧ с 0,352 до 0,321 г/(кВт-ч), или на 8,8%. При этом удельный эффективный расход топлива де увеличивается с 213,99 до 225 г/(кВт-ч), или на 5,6% по сравнению с чисто дизельным циклом (без подачи воды).
5. При реализации всех рассмотренных способов подачи воды в цилиндры дизеля и увеличении её массовой доли выбросы оксидов азота еШх и твёрдых частиц еТЧ монотонно уменьшались, а удельный эффективный расход топлива де — увеличивался.
6. Заметное снижение эмиссии оксидов азота при подаче воды в цилиндры дизеля при небольшом росте расхода топлива позволяет рассматривать подачу воды в цилиндры дизеля как эффективное средство снижения выбросов оксидов азота с отработавшими газами двигателей внутреннего сгорания.
> Использованные источники
1. Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей / В.П. Алексеев, В.Ф. Воронин, Л.В. Грехов и др. Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. - М.: Машиностроение, 1990. - 288 с.
2. Марков В.А., Баширов Р.М., Габитов И.И. Токсичность отработавших газов дизелей. -М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 376 с.
3. Машиностроение. Энциклопедия. Том IV. Двигатели внутреннего сгорания / Л.В. Грехов, Н.А. Иващенко, В.А. Марков и др. Под ред. А.А. Александрова, Н.А. Иващенко. - М.: Машиностроение, 2013. - 784 с.
4. Вальехо Мальдонадо П.Р. Энергосберегающие технологии и альтернативная энергетика: Учебное пособие для вузов. - М.: РУДН, 2008. - 204 с.
5. Нефтяные моторные топлива: экологические аспекты применения / А.А. Александров, И.А. Архаров, В.А. Марков и др. Под ред.
А.А. Александрова, В.А. Маркова. - М.: ООО НИЦ «Инженер», ООО «Онико-М», 2014. - 691 с.
6. Автотранспорт и экология мегаполисов / А.А. Ипатов, В.Ф. Кутенев, В.А. Лужко,
А.С. Теренченко, Н.А. Хрипач. - М.: Экология. Машиностроение, 2010. - 253 с.
\
7. Горбунов В.В., Патрахальцев Н.Н. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. - М.: Изд-во Российского университета дружбы народов, 1998. -216 с.
8. Кульчицкий А.Р. Токсичность автомобильных и тракторных двигателей.
- Владимир: Изд-во Владимирского государственного университета, 2000. -256 с.
9. Грехов Л.В., Иващенко Н.А., Марков В.А. Топливная аппаратура и системы управления дизелей. Учебник для вузов.
- М.: Изд-во «ЛегионАвтодата», 2005. -344 с.
10. Альтернативные топлива для двигателей внутреннего сгорания / А.А. Александров, И.А. Архаров, В.А. Марков и др. Под ред.
A.А. Александрова, В.А. Маркова. - М.: ООО НИЦ «Инженер», ООО «Онико-М», 2012. - 791 с.
11. Лиханов В.А., Сайкин А.М. Снижение токсичности автотракторных дизелей. -М.: Колос, 1994. - 224 с.
12. Парсаданов И.В. Повышение качества и конкурентоспособности дизелей
на основе комплексного топливно-экологического критерия. - Харьков: Изд-во Харьковского политехнического института, 2003. - 244 с.
13. Гладков О.А., Лерман Е.Ю. Создание малотоксичных дизелей речных судов. -Л.: Судостроение, 1990. - 112 с.
14. Лебедев О.Н., Сомов В.А., Сисин В.Д. Водотопливные эмульсии в судовых дизелях. - Л.: Судостроение, 1988. - 105 с.
15. Горбунов В.В., Патрахальцев Н.Н. Исследование работы дизеля КамАЗ-740 при использовании водотопливной эмульсии // Вестник РУДН. Серия «Инженерные исследования». - 2004. -№ 2. - С. 16-19.
16. Марков В.А., Девянин С.Н., Шумовский
B.А., Тарантин С.А. Работа дизелей на водотопливных эмульсиях // Транспорт на альтернативном топливе. - 2012. -№ 3. - С. 67-71.
17. Марков В.А., Тарантин С.А., Девянин С.Н. Использование водотопливных эмульсий в качестве топлива для дизелей // Грузовик. - 2012. - № 8. - С. 33-42.
18. Andrews G.E., Bartle K.D., Pang S.W. et al. The Réduction in Diesel Particulate Emissions, Using Emulsified Fuels // SAE Technical Paper Series. - 1988. - № 880348.
- P. 1-9.
19. De Vita A. Multi-Cylinder D.I. Diesel Engine Tests with Unstabilized Emulsion of Water and Ethanol in Diesel Fuel // SAE Technical Paper Series. - 1989. - № 890840. - P. 1-15.
20. Strey R., Simon C. Russ- und NOxReduktion dank Dieselkraftstoff-WasserMikroemulsion // MTZ. - 2005. - Jg. 66. -№ 6. - S. 485.
21. Klopfer M., Lang H.-P., Weiser T. Wasserabscheidekonzept fur druckseitige Dieselkraftstoff-Filtersysteme // MTZ. -2005. - Jg. 66. - № 6. - S. 460-464.
22. Okada H., Furuya T., Chol C. et al. Application of Emulsified Heavy Fuel to Marine Diesel Engines // Bulletin of Marine Engineering Society in Japan. - 1992. - Vol. 20. - № 1. - P. 1-9.
23. Снижение выбросов оксидов азота тракторных дизелей путём организации рабочего процесса на водотопливной смеси / А.В. Николаенко, В.С. Шкрабак, Т.Ю. Салова и др. // Двигателестроение. -2000. - № 1. - С. 35-37.
24. Опыт снижения токсичности отработавших газов дизелей за счёт подачи воды / А.К. Болотов, В.А. Лиханов, В.М. Попов и др. // Двигателестроение. -1982. - № 7. - С. 48-50.
25. Birkenhagen S., Rulfs H. Untersuchungen zur direkten. Reduktionsmittel-
und Wassereinspritzung bei mittelschnelllaufenden Dieselmotoren // MTZ. - 2001. - Jg. 62. - № 11. - S. 946-954.
26. Heinrich G., Prescher K., Finsterwalder G. Wasser- und Methanolzusatze bei Dieselmotorischer Verbrennung // MTZ. -1984. - Jg. 45. - № 5. - S. 183-188.
27. Water Injection in Diesel Engines // Journal Marine Engineering Society of Japan. - 1988.
- № 4. - P. 251-256.
28. Rainer P., Simon C. Einfluss der geschichteten Wassereinspritzung auf das Abgas- und Verbrauchsverhalten eines Dieselmotors mit Direkteinspritzung // MTZ. - 2004. - Jg. 65. - № 1. - S. 49-55.
29. Середа А.С. Теоретическое обоснование гипотезы о гидроабразивном механизме очистки распылителей // «Повышение эффективности судовых энергетических установок»: Сборник научных трудов Новосибирского института инженеров водного транспорта. - Новосибирск, 1989.
- С. 103-115.
30. Maxson T., Logan B., O'Brien S. Performance in Diesel and Biodiesels of Fluorosilicone Rubber Materials user for Automotive Quick Connector Fuel Line ORings and Other Sealing Applications // SAE Technical Paper Series. - 2001. - № 2001-01-1124. - P. 1-9.
31. Takasaki K., Fukuyoshi T., Otsubo M. et al. Improvement of Diesel Combustion using a Fuel-Water-Fuel Injection System // International Journal Japan Society of Mechanical Engineers. Part B. - 1998. -Vol. 41. - № 4. - P. 975-982.
32. Грехов Л.В., Кулешов А.С. Математическое моделирование и компьютерная оптимизация топливоподачи и рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. - 64 с.
33. Кулешов А.С., Грехов Л.В.
Расчётное формирование оптимальных законов управления дизелями на традиционных и альтернативных топливах // Безопасность в техносфере. - 2007. - № 5. - С. 30-32.
34. Кулешов А.С. Многозонная модель для расчёта сгорания в дизеле. Расчёт распределения топлива в струе
// Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Машиностроение. Специальный выпуск «Двигатели внутреннего сгорания». -2007. - С. 18-31.
35. Разлейцев Н.Ф. Моделирование и оптимизация процесса сгорания в дизелях. - Харьков: Вища школа, 1980. - 169 с.
36. Kuleshov A.S. Model for Predicting Air-Fuel Mixing, Combustion and Emissions in DI Diesel Engines over Whole Operating Range // SAE Technical Paper Series. - 2005. -
№ 2005-01-2119. - P. 1-10.
37. Kuleshov A.S. Multi-Zone DI Diesel Spray Combustion Model and its Application for Matching the Injector Design with Piston Bowl Shape // SAE Technical Paper Series. -2007. - № 2007-01-1908. - P. 1-10.
38. Кулешов А.С. Развитие методов расчёта и оптимизация рабочих процессов ДВС: Дисс... д.т.н.: 05.04.02. - М.:
МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2012. - 235 с.
39. Девянин С.Н., Семёнов В.Г., Шахов А.В., Багров В.В. Использование растительных масел и топлив на их основе в дизельных двигателях. - М.: ООО НИЦ «Инженер», ООО «Онико-М», 2011. - 536 с.
40. Марков В.А., Девянин С.Н., Семенов В.Г., Багров В.В., Зыков С.А. Моторные топлива, производимые из растительных масел / Под ред. В.А. Маркова. - Рига: Lambert Academic Publishing, 2019. - 420 с.
