Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследования.. 8
1.1. Применение воды в рабочем процессе двигателя 8
1.1.1. Подача воды в составе водо-топливной эмульсии 9
1.1.2. Подача воды отдельно в жидком виде 13
1.1.3. Подача паров воды 16
1.2. Водоиспарительные аппараты 21
1.3. Процессы увлажнения в пластинчатых аппаратах из гигроскопичных материалов 27
1.4. Задачи исследования 33
ГЛАВА 2. Программа и методика исследований 35
2.1. Программа и структурная схема исследований 35
2.2. Общая методика проведения работы 37
2.3. Методика экспериментальных исследований 40
2.3.1. Методика и оборудование при проведении стендовых исследований насадки 41
2.3.2. Методика проведения испытаний системы на тракторе. 47
ГЛАВА 3. Теоретическое обоснование создания орошаемой насадки регулярной структуры для увлажнения воздушного заряда двс 52
3. 1 Теоретические предпосылки уменьшения содержания оксидов азота в ОГ при участии воды в рабочих процессах двигателя 52
3.2. Оценка степени насыщения водой воздушного заряда ДВС путем испарительного увлажнения 61
3.3. Анализ влияния параметров воздуха при испарительном увлажнении воздушного заряда на основные характеристики двигателя 69
3.4. Характеристика процессов тепло-массообмена в орошаемых пластинчатых аппаратах 75
3.5.Разработка оптимальной конструкции интенсифицированной насадки 82
3.6. Математическая модель процесса увлажнения воздуха в насадке 86
ГЛАВА 4 . практическая реализация системы испарительного увлажнения воздушного заряда дизеля 93
4.1. Оптимизация параметров и режимов работы насадки 93
4.2. Разработка опытного образца системы 101
4.3. Оценка функциональных качеств насадки в результате стендовых исследований 103
4.4. Результаты стендовых испытаний системы на тракторе 109
ГЛАВА 5. экономическая оценка результатов работы 117
Основные результаты и выводы 124
Библиографический список 129
Приложения 134
- Подача паров воды
- Методика и оборудование при проведении стендовых исследований насадки
- 1 Теоретические предпосылки уменьшения содержания оксидов азота в ОГ при участии воды в рабочих процессах двигателя
- Анализ влияния параметров воздуха при испарительном увлажнении воздушного заряда на основные характеристики двигателя
Введение к работе
В сельскохозяйственном производстве проблема загрязнения атмосферы вредными веществами, выбрасываемыми с отработавшими газами (ОГ) ДВС, менее актуальна, чем в городских условиях, так как источники загрязнения (тракторы, автомобили, мобильные и стационарные сельскохозяйственные машины с ДВС) рассредоточены на больших площадях. Эта проблема приобретает остроту при эксплуатации мобильной сельскохозяйственной техники в производственных помещениях ограниченного объема и воздухообмена (сооружениях защищенного фунта, животноводческих помещениях, складах, хранилищах и т.п.). Нарушение воздушно-газового режима атмосферы помещения вследствие содержания токсичных веществ в отработавших газах (ОГ) дизелей и создание тем самым экологически экстремальных условий препятствует полноценному использованию, а в некоторых случаях сдерживает применение в условиях ограниченного воздухообмена тракторов малой мощности.
Современное состояние работ по снижению токсичности и дымности ОГ находящихся в эксплуатации дизелей характеризуется тем, что на данный момент пока не существует единого универсального средства, обеспечивающего достаточно полное снижение вредных выбросов двигателя. Эта задача решатся только комплексно. Так, для уменьшения в ОГ содержания оксида углерода, углеводородов и сажи широкое применение получили каталитические и жидкостные нейтрализаторы. Однако наиболее сложной является проблема снижения содержания в ОГ ДВС оксидов азота, для решения которой в первую очередь необходимо дополнительное воздействие на рабочий процесс двигателя, способствующее уменьшению их образования.
С точки же зрения использования трактора при ограниченном воздухообмене в условиях сельскохозяйственного производства с повышенной влажностью воздуха или с наличием свободной (например, капельной) влаги на растениях, почве, кормах и т.п. особую опасность представляют именно оксиды азота NOx. Это связано с тем, что NO2 хорошо реагирует с водой, образуя смеси
азотной HNO3 и азотистой HNO2 кислот, являющиеся чрезвычайно агрессивной средой по отношению к живым организмам, растениям и материалам конструкций. Такими качествами оксидов азота можно объяснить жесткие требования по их допустимому содержанию в воздухе рабочей зоны (ПДКрз = 5 мг/м ) по сравнению с оксидом углерода (ПДКрз = 20 мг/м ) и углеводородами (ПДКРз = 30 мг/м3). У читывая данное обстоятельство, в настоящей работе возможность обеспечения снижения выбросов оксидов азота с ОГ двигателя малой мощности принята в качестве главного направления исследования.
С позиции воздействия на рабочий процесс находящегося в эксплуатации маломощного дизеля для уменьшения концентрации NOx в его ОГ представляет интерес такой способ как подача воды в ДВС.
На данный момент в достаточной мере исследованы и отработаны средства, использующие воду при формировании топливо-воздушной смеси в составе водо-топливной эмульсии, или при её подаче в ДВС в жидком виде отдельно. Вместе с тем, с точки зрения применения на тракторах малых классов, эти известные средства в большинстве своем относительно сложны, что ставит под вопрос их реализацию на указанных объектах.
Наряду с этим при формировании топливо-воздушной смеси считается целесообразным использование воды в виде пара. Однако применительно к ДВС тракторов исследования в этом направлении, по существу, не проводились. В то же время в системах нормализации микроклимата кабин тракторов применяется водонспарительное увлажнение воздуха с помощью адиабатных орошаемых насадок регулярной структуры. Особенностью таких аппаратов является простота и компактность конструкции, достаточно высокая надежность работы в условиях тряски и вибрации, способность саморегулирования процесса увлажнения при переменных температурах и расходах воздуха. Указанные качества соответствуют требованиям, предъявляемым к системам питания ДВС тракторов.
Приведенные положения обусловливают актуальность диссертационной работы.
Цель работы - разработка и исследование системы испарительного увлажнения воздушного заряда для снижения содержания оксидов азота в отработавших газах дизеля трактора малого класса.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
провести оценку степени насыщения водой воздушного заряда ДВС путем испарительного увлажнения воздуха и обосновать параметры системы водоиспарительного увлажнения с учетом начальных параметров и специфики эксплуатации двигателя;
выявить закономерности качества увлажнения воздушного двигателя при проектировании оптимальной конструкции водоиспарительной насадки;
разработать и изготовить образец водоиспарительной насадки с целью экспериментального исследования и получения оптимального режима увлажнения воздушного заряда двигателя;
обосновать экономическую целесообразность применения способа испарительного увлажнения воздушного заряда для улучшения экологических параметров трактора.
Методы и объекты исследования. Для решения поставленных задач в работе применены:
системный анализ и обобщение данных научно-технической литературы и научно-исследовательских разработок по состоянию вопроса; математическое моделирование с применением ПК для получения зависимостей между различными параметрами насадки при ее оптимизации и характеристиками системы в составе ДВС трактора; экспериментальный метод исследования;
объект исследования - адиабатная интенсифицированная насадка для увлажнения воздушного заряда двигателя; объект реализации - двигатель Владимирского тракторного завода Д-120 (Д-21).
Научная новизна. Обоснован и исследован способ улучшения экологических характеристик тракторного дизеля - испарительное увлажнение воздушного заряда, реализуемое в аппарате с орошаемой адиабатной
интенсифицированной насадкой. Разработана математическая модель процесса увлажнения воздушного заряда ДВС, определяющая функциональную связь эффективности увлажнения с параметрами насадки, учитывающая количественные характеристики формируемых в насадке макрокапилляров.
Практическая значимость работы. Разработанная система испарительного увлажнения воздушного заряда дизеля является одним из рациональных способов улучшения экологических показателей тракторов эксплуатируемых в условиях ограниченного объема и воздухообмена -тепличных и животноводческих помещениях, складах, хранилищах и др. Выявленные аналитические зависимости позволяют реализовать разработанный способ снижения токсичности для двигателей любой мощности. Созданная и практически реализованная на двигателе Д-21 система водоиспарительного увлажнения воздушного заряда обеспечивает снижение выбросов с ОГ оксидов азота на 45...50%.
Реализация результатов исследования. Результаты выполненных исследований использованы при создании полноразмерной модели системы испарительного увлажнения воздушного заряда ДВС, предложены к рассмотрению заводу-изготовителю двигателя Д-120 (ОАО «ВМТЗ»), применяются в учебном процессе кафедры «Экология и безопасность жизнедеятельности» МГТУ «МАМИ» при изучении курса «Безопасность жизнедеятельности операторов наземных транспортных средств».
Апробация работы. Основные положения и результаты исследования доложены, обсуждены и одобрены на научно-технических конференциях ГНУ ГОСНИТИ, МГТУ МАМИ в 2004...2007 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 3 в журналах, рецензируемых ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, библиографического списка и 6 приложений. Объем работы: 133 страниц машинописного текста, 43 рисунка, 12 таблиц. Библиографический список содержит 81 наименование, в том числе 11 иностранных авторов.
Подача паров воды
Подача воды в ДВС в виде пара является относительно новым и эффективным способом уменьшения эмиссии оксидов азота с ОГ двигателя. Последнее подтверждается исследованиями специалистов шведской фирмы Munters Euroform, предложивших для ДВС с турбонаддувом систему, названную «Humid Air Motor» («Двигатель с увлажнением воздуха»). В данной системе насыщение сжатого в компрессоре воздуха парами воды осуществляется в специальном аппарате испарительного увлажнения, после которого воздух с относительной влажностью порядка 99 % поступает в дизель [81] (рис. 1.4). и Компрессор Турбина Сжатый воздух Увлажненный и охлажденный воздух а -о. п а о Двигатель Подача воды "1 ___] Резервуар для воды 1 Теплообменник для подогрева воды Циркуляция воды Удаление грязи Рис. 1.4. Схема работы ДВС с системой «Humid Air Motor»
Передача влаги высокотемпературному (около 170С) воздуху в водоиспарительном аппарате осуществляется при его прохождении через насадку, орошаемую потоком горячей воды, которая подогревается в специальном теплообменнике - утилизаторе энергии ОГ ДВС. Отмечается [36], что процесс увлажнения воздуха в системе происходит с саморегулированием в зависимости от нагрузки ДВС. В системе после насадки предусмотрено улавливание капельной влаги посредством сепаратора, что исключает появление коррозии на деталях цилиндро-поршневой группы. Более того, результаты исследования изменения относительной влажности в цилиндре во время процесса сгорания (рис. 1.5 [36]) подтверждают то, что в цилиндрах не происходит конденсации влаги, и даже во время процесса сжатия возможна подача дополнительной порции водяного пара в цилиндры ДВС. # В результате испытаний системы «Humid Air Motor» на судовом дизеле выявлены: - значительное уменьшение содержания NOx в ОГ (до 80%); - отсутствие существенного увеличения СО, СНХ, С; - незначительное влияние системы на расход топлива (±0,5%); - уменьшение температуры ОГ (на 20С); - снижение температуры выпускных клапанов (на 20С); - отсутствие воды в смазочном масле. Влияние подачи пара в ДВС по предложенной схеме на выбросы NOx в зависимости от количества водяных паров представлено на рис. 1.6 [81]. IS N0X (г/кВт ч) О О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Влагосодержание (г/кг сух. возд) Рис. 1.6. Влияние влагосодержания заряда при различной нагрузке на удельные выбросы NOx Представленное свидетельствует о том, что подача воды в дизель в виде пара является достаточно рациональным способом улучшения его экологических характеристик, поскольку здесь достигаются значительно лучшие результаты по снижению содержания в ОТ оксидов азота (на 70...80 % [36]). Это происходит за счет возможности подачи большего количества воды (200...300% по отношению к топливу) и равномерного ее распределения по объему камеры сгорания при подаче пара вместе с воздухом (т.е. насыщенного водяными парами воздуха). Максимальная температура сгорания, определяющая образование NOx, уменьшается вследствие того, что теплоемкость водяного пара при характерных внутрицилиндровых температурах больше теплоемкости сухого воздуха. Кроме того, при сгорании 1 кг топлива в цилиндрах образуется примерно 1 л водяного пара (т.е. при работе дизеля пары воды всегда находятся в цилиндре), что фактически подтверждает, что присутствие воды в ДВС в парообразном состоянии не способствует процессам износа и коррозии.
Способ подачи воды в двигатель в виде пара применительно к ДВС тракторов на сегодняшний день не исследован. Поэтому для его реализации в системе воздухоподачи тракторного дизеля в первую очередь следует определить и обосновать параметры системы испарительного увлажнения воздушного заряда ДВС с учетом специфики эксплуатации двигателя. Необходимо отметить, что в указанном исследовании [81] применены такие понятия как влагосодержание и относительная влажность воздуха, поступающего в ДВС. Это является дополнительными параметрами, характеризующими уровень насыщения топливо-воздушной смеси водой к его оценке по количественному показателю к массе топлива. Однако функциональной связи между этими тремя показателями не указывается. В виду отсутствия соответствующей методики это затрудняет использование результатов известных исследований при выборе научно-обоснованных путей решения нашей задачи.
Как указывалось выше, в системе ««Humid Air Motor» применена орошаемая насадка испарительного увлажнения воздуха. Однако здесь не раскрываются конструктивные и функциональные особенности этого аппарата, в связи с чем требуется провести соответствующий дополнительный анализ, учитывающий, что система испарительного увлажнения в составе тракторного двигателя должна удовлетворять определенным требованиям, предъявляемым к системам снижения токсичности техники:
Методика и оборудование при проведении стендовых исследований насадки
Целью экспериментальных исследований насадки является подтверждение закономерностей качества увлажнения и положений теоретических предпосылок по конструированию адиабатной насадки регулярной структуры из пористой пластмассы для испарительного увлажнения воздушного заряда ДВС. Программа стендовых исследований включает оценку теплотехнических показателей и аэродинамического сопротивления насадки. При теплотехнических испытаниях насадки регулярной структуры (согласно рис.2.2) управляющими параметрами являются температура обрабатываемого воздуха по сухому термометру и расход воздуха через насадку (или его скорость в каналах). Величина tM в экспериментах при определенных значениях tj характеризует начальное влагосодержание воздуха d. Как показали исследования [49], значение d не влияет на эффективность адиабатного увлажнения воздуха, в связи с чем эксперименты можно проводить при любом значении влагосодержания, а параметр tM является входной контролируемой, но неуправляемой переменной. Для температуры воздуха на выходе из насадки условно можно записать: t2 = f(ti,tM), (2.9) где tj и tM - температуры воздуха до обработки в насадке по сухому и мокрому термометрам, С. Диапазон изменения начальной температуры воздуха по сухому термометру, исходя из специфики эксплуатации испарительной насадки (в воздушном тракте двигателя), принят равным 40...80С. Общее количество градаций tt определяется из выражения [9]: Utl=(t,max/tlmin) /2+3 (2.10) Принято uti = 5. Тогда величина интервала составит: At, = (tmaxlminl)/(utl -1)=10 С (2.11) Таким образом, в эксперименте значения температуры воздуха по сухому термометру на входе в насадку принимаются: t\ = 40; 50; 60; 70; 80 С. Для аэродинамического сопротивления насадки аналогично (2.9) запишем: Ар = f (G, t,) (2.10) Исходя из расхода воздушного заряда двигателя Д-120, принимаем изменение массового расхода воздуха через насадку G = 50 ...130 кг/ч. Тогда общее количество градаций G составит: UG = (Gmax/Gmin),/2+3 (2.11) Принято UG = 5. Величина интервала при этом составит: AG = (Gmax - Gmin) I (uG - 1) = 20 кг/ч (2.12) Получено: G = 50; 70; 90; 110; 130 кг/ч. Таким образом, при проведении эксперимента необходимо обеспечить 25 режимов. Количество замеров на каждом режиме определяется исходя из необходимости обеспечения задаваемой точности для оценки температуры воздуха t2 на выходе из насадки.
Точность измерения tj, tM и І2 выбрана, как принято в практике подобных исследований [49], равной 0,1С. Абсолютная ошибка измерения при этом принимается равной половине дискретности представления температуры, считываемой цифровыми датчиками: еизм = etImM= etM изм = е аизм = ± 0,05С. Абсолютную ошибку выборки можно определить по формуле [34]: eB = a/NB1/2 (2.13) где є - коэффициент, зависящий от надежности (при принятой для технических измерений в 95% величина є = 2 [21]); NB -объем выборки; с - среднее квадратическое отклонение (из практических данных подобных экспериментов для ti, tM и t2 может быть принято равным ± 0,1 С). Тогда абсолютная предельная ошибка величин tb tM и t2 определяется по выражению [21]: Л абс_ Л абс _ „ абс _ // в\2 , / изм\2\1/2 _ //„2 _2/\т \ , / изм\2\1/2 / і л\ eti -etM -et2 -((є) +(е )) -((ea/NB) + (e )) (2.14) Получено, что при объеме выборки NB равной 5, 15 и 25 абсолютная предельная ошибка еиабс = etMa6c = et2a6c будет равна соответственно 0,102; 0,072 и 0,064 С. Таким образом, требуемая точность оценки tb tM, t2 равная 0,1 С практически может быть обеспечена при объеме выборки NB = 5, т.е. при пятикратном повторении эксперимента на каждом режиме.
Измерение температуры в данном экспериментальном исследовании осуществляется посредством цифровых датчиков фирмы DALLAS Semiconductor, принцип действия которых основан на подсчете количества импульсов, вырабатываемых генератором с низким температурным коэффициентом во временном интервале, который формируется генератором с большим температурным коэффициентом. Датчики с обозначением DS18S20 обеспечивают измерение температуры в диапазоне от -55 до +125С с дискретностью 0,5С. Более высокая разрешающая способность (дискретность представления температуры 0,1 С) достигается после дополнительных вычислений на основе значений COUNT_REMAIN (значение, оставшееся в счетчике в конце измерения) и COUNT_PER_C (количество импульсов на один градус для данной температуры):
1 Теоретические предпосылки уменьшения содержания оксидов азота в ОГ при участии воды в рабочих процессах двигателя
В ОГ ДВС оксиды азота представлены как оксидом N0, так и высшими оксидами NO2, N203, N204, N205. Однако на 95...99% - это оксид азота N0, который окисляется до высших оксидов при попадании в атмосферу. Поэтому при рассмотрении процесса образования оксидов азота при горении ограничиваются рассмотрением реакций образования N0 [35]. Основное количество оксидов азота N0 в цилиндрах двигателя образуется в результате окисления азота воздуха. Условием такой реакции является диссоциация молекулы кислорода воздуха под действием высоких температур, протекающая с поглощением теплоты [35]: 02 « О + О - 494 кДж/моль (3.1) Атомарный кислород реагирует с молекулой азота, а образовавшийся в результате эндотермической реакции атомарный азот вступает в экзотермическую реакцию с молекулярным кислородом (механизм Зельдовича) [32]: N2 + О - NO +N - 314 кДж/моль (3.2) 02 + К- Ж + 0+134кДж/моль (3.3) Потребление атома кислорода в реакции (3.2) восполняется его образованием в реакции (3.3) благодаря тому, что атом азота, образовавшийся в первой реакции, тут же реагирует с молекулярным кислородом, что приводит к регенерации активного атома кислорода. Скорость описанного процесса определяется реакцией (3.2), энергетический барьер которой складывается из: - энергии, требующейся на образование одного атома кислорода Е,=494/2=247 (кДж/моль); - энергии активации реакции атома кислорода с молекулой азота Е2=314 (кДж/моль). Таким образом, энергия активации реакции образования N0: Е = Е, +Е2 =247 + 314 = 561 кДж/моль. Высокое значение энергии активации Е предопределяет исключительно сильную зависимость скорости образования оксидов азота от температуры. Это положение подтверждается законом Аррениуса [53], по которому скорость элементарной химической реакции К экспоненциально возрастает с увеличением температуры: K = Ae E/RT, (3.4) где А - постоянный множитель (предэкспонента), характеризующий зависимость скорости реакции от свойств смеси и относительной концентрации в ней реагентов; е - экспонента; Е - энергия активации реакции; R -универсальная газовая постоянная; Т - температура смеси. Используя выражение (3.4) и подставляя численное значение Е реакции образования N0, нами получена графическая зависимость изменения скорости реакции образования оксидов азота (К2/Кі) от изменения температуры горения (рис. 3.1). і ; 1 s . ___— 1 і j і 1 . 1 :i : 16 т,. к 1 1950 1970 1990 2010 2030 2050 2070 2090 2110 2130 2150 Рис. 3.1. Зависимость изменения скорости реакции образования NO при увеличении температуры горения от Ті = 1950К до Т2 Из рисунка следует, что с увеличением температуры горения скорость реакции образования оксидов азота резко возрастает, особенно в области больших температур, что подтверждает термическую природу образования N0 в рабочих процессах ДВС. Следовательно, при уменьшении температурного режима цикла подачей пара в цилиндры вместе с воздушным зарядом, образование N0 уменьшается с наибольшим эффектом при высоких внутрицилиндровых температурах.
Влияние подачи пара вместе с воздушным зарядом в ДВС на температурный режим цикла возможно оценить по изменению термодинамической температуры в цилиндре двигателя Tz в конце видимого сгорания. При этом необходимо учитывать изменение состава и количества горючей смеси и продуктов сгорания при участии паров в рабочем процессе двигателя. Определение Tz при подаче в цилиндры воздуха, характеризующегося влагосодержанием d (г/кг сух. возд.) ведется для условий сгорания 1 кг топлива. Имея ввиду, что 1 кг влажного воздуха содержит (d/(1000+d)) кг паров воды и (1 - d/(100+d)) кг сухого воздуха, на основе химических реакций сгорания, нами получено выражение для определения теоретически необходимого количества влажного воздуха для полного сгорания 1 кг топлива: /o=(2,67C+8HT-OT)/[(0,23+0,66/(1000+d))x x(l-0,89d/((1000+d)(0,23+0,66/(1000+d)))], кг, (3.5) или L0 = / //л кмоль, (3.6) где С, Нт, От - массовое содержание углерода, водорода и кислорода в 1 кг топлива, /л - масса 1 кмоля влажного воздуха: / =28,96(l-d/(1000+d))+18,02(d/(1000+d))=28,96- 10,94d/(1000+d), кг/кмоль, (3.7) где 28,96 и 18,02 кг/кмоль - масса Ікмоля сухого воздуха и воды соответственно. Действительное количество воздуха, поступающего в двигатель, определяется по известному выражению [56]: Mi = a L0, кмоль/кг топлива, (3.8) где a - коэффициент избытка воздуха. Поступающий в ДВС свежий заряд состоит из влажного воздуха и топлива, но, ввиду большой молярной массы дизельного топлива (-200 кг/кмоль), количеством топлива можно пренебречь и считать количество горючей смеси равным количеству поступающего воздуха [56].
Смесь газов в начале сжатия состоит из свежего заряда Mi и остаточных газов Мг: Mc = Mi + Mr = M,(yr+l), (3.9) где уг - коэффициент остаточных газов. Учитывая, что процесс сжатия в ДВС приближается к адиабатному [53, 56], температуру в конце сжатия определяем из выражения: Тс = Таєк-\К (3.10) где Та - температура в конце впуска, К; є - степень сжатия; к - показатель адиабаты: k= CpC/cvc, (3.11) где срс и cvc - средние молярные теплоемкости заряда (влажного воздуха) в конце сжатия при постоянном давлении и постоянном объеме соответственно. Связь между параметрами срс и cvc при допущении, что воздушный заряд принимают как смесь идеальных газов, определена соотношением Майера [13, 53,56]: Срс = Cvc + R, кДж/ (кмоль К), (3.12) где R- универсальная газовая постоянная. В свою очередь: cvc = к] сУСвозд. + к2 Сусшо, кДж/ (КМОЛЬ- К), (3.13) где Сусвозд.= 20,53 + 0,0027ТС, сусн20 = 24,72 + 0,0056ТС - молярные теплоемкости воздуха и водяного пара при постоянном объеме [54], кь к2 - количественные доли воздуха и водяного пара в смеси. Учитывая соотношение водяного пара и сухого воздуха в смеси в зависимости от параметра d для к] и кг, нами получено:
Анализ влияния параметров воздуха при испарительном увлажнении воздушного заряда на основные характеристики двигателя
Влияние температуры, давления и влажности окружающего воздуха на величину эффективной мощности, крутящего момента, часового и удельного расхода топлива определяется зависимостями [57]: Ne = Neo/kNe (3.53) MK = MK0/kNe (3.54) GT = GT0/kGT (3.55) ge=geo/kge (3.56) где Neo, MK0, GT0 , ge0 - характеристики дизеля при температуре воздуха и топлива t0 = tr = 25С, относительной влажности воздуха ц 0 = 50%, атмосферном давлении Вокро = 100 кПа; kNe, кот, kge - коэффициенты приведения, зависящие от изменения параметров воздушного заряда [57]: kNe = 0,823 / (рт25 (1 - kb АВокр) (1 - ktB At0Kp) (1 - ktr At,)) (3.57) kGT = 0,823 I (pT25 (1 -1At,)) (3.58) kge = (1 - kb AB0Kp) (1 - ktB At0Kp), (3.59) где pT - плотность топлива при температуре tt, т/ м3 (для tt = 25С pr = 0,823 т/м3); АВокр = 100 - В0Кр + +аф(0,01фокрр5 - 1,6) - изменение атмосферного давления (с учетом парциального давления водяных паров) по сравнению со стандартным, кПа; ps - парциальное давление насыщенного водяного пара при данной температуре воздуха, кПа; аф = 1 - для четырехтактных дизелей без наддува [57]; At0Kp = t0Kp -25 - изменение температуры воздуха по сравнению с t0Kp = 25 С; Atr = tr — 25 — изменение температуры топлива по сравнению с = 25С; kb - поправка, соответствующая изменению атмосферного давления на 1 кПа, 1/кПа; ktB - поправка, учитывающая изменение температуры окружающего воздуха на 1 С, 1/С; ktr - поправка, отражающая отклонение температуры топлива на 1 С, 1/С. Для четырехтактных дизелей без наддува значения поправок принимаются согласно [57] kb = 0,0045 кПа 1, ktB = ktT = 0,0015 С"1. Поскольку при обработке воздуха в адиабатной насадке такие параметры, как Вокр, рт и tr не подвергаются изменениям, то с учетом принятых значений поправок, выражения (3.53) - (3.56) для нашего случая можно представить в виде: Neo/Nc = Мко/Мк = 1/((1,0072 -0,000045фокрр5)(1,0375-0,0015!окр)) (3.60) GT0/GT= 1 (3.61) geo/gc= (1,0072 -0,000045фокрр5) (1,0375-0,0015t0Kp) (3.62) В табл. 3.2 представлены результаты вычисления по полученным выше выражениям для некоторых возможных значениий t0Kp и соответствующим им значениям ps. При этом, согласно практическим данным [49], относительную влажность после обработки в испарительной насадке фокр в первом приближении принимаем равной 80%. Таблица 3.2 Влияние параметров входящего воздуха на характеристики двигателя Параметрывходящеговоздуха Изменение характеристик двигателя в зависимости отпараметров входящего воздуха(по сравнению с условиями t0 = 25С, ф0 = 50%) t С Ps,кПа фокр,% Neo/Ne мко/мк geo/ge GT01GT 10 1,2 80 0,975 1,025 1 15 1,7 0,984 1,016 20 2,3 0,994 1,006 25 3,3 1,005 0,995 30 4,2 1,016 0,984 35 5,8 1,029 0,971 Как видно из табл. 3.2, большее влияние на характеристики двигателя имеет изменение температуры, а не влажности воздуха. Так, при увеличении температуры воздуха на 10С (от 25 до 35С) эффективная мощность и крутящий момент уменьшаются на 2,4 %, а удельный расход топлива настолько же увеличивается. Вместе с тем увеличение относительной влажности воздуха от 50 до 80 %, например, для температуры 25С, приводит к изменению характеристик двигателя лишь на 0,5 %.
В выражениях (3.60) и (3.62) в качестве показателя влажности воздуха используется параметр (р. Ввиду того, что, как показано ранее, наиболее удобной с практической точки зрения характеристикой влажности воздушного заряда является его влагосодержание, оценим изменение характеристик двигателя в зависимости от параметра d поступающего в ДВС воздуха в принятом ранее диапазоне d = 0...25 г/кг сух. возд. Относительная влажность воздуха есть отношение парциального давления водяных паров рп к давлению насыщения ps при определенной температуре влажного воздуха, т.е.: Фокр = (Рп/р5)-Ю0% (3.63) Вместе с тем зависимость влагосодержания d от парциального давления водяных паров имеет следующий характер [5]: d = 622 рп/рс, г/кг сух.возд. (3.64) где рс = Вокр - рп - парциальное давление сухой части воздуха. Выразив рп через d из (3.64) и используя (3.60), (3.62), (3.63), получим выражения для определения влияния влагосодержания воздуха на основные эксплуатационные характеристики двигателя: Neo/Ne = Мко/Мк = 1/(1,0072 -7,23 10"6d рс) (3.65) geo/ge=l,0072-7,23 10"6d рс (3.66) Выражения (3.65), (3.66) позволяют получить зависимости Nc = f (d) и gc = f (d) при неизменной начальной температуре воздуха (рис. 3.5). Изменение Мк, согласно (3.65), имеет аналогичный функции Ne= f (d) линейный характер. Таким образом, согласно рис. 3.5, уменьшение Ne и Мк, даже при принятом в анализе максимальном d = 25 г/кг сух. возд. при неизменной температуре составляет не более 1%, увеличение ge на 1,8 %. 249 V 248 Вследствие некоторого увеличения температуры поступающего в ДВС воздуха при применении системы испарительного увлажнения и влияния температуры воздуха в 5 раз превосходящего влияния его относительной влажности, проведем отдельный более точный анализ влияния температуры на характеристики двигателя. При этом влияние изменения влажности принимаем незначительным и в дальнейшем анализе им пренебрегаем.
