Содержание к диссертации
Введение
1. Проблемы топливной экономичности тепловозов и анализ мероприятий по экономии топлива на локомотивах 11
1.1. Обоснование темы 11
1.2. Мероприятия по экономии топлива на тепловозах 13
1.3. Анализ факторов влияющих на расход топлива в эксплуатации 17
2. Влияние условий эксплуатации тепловозов на режимы работы дизелей и расход топлива 19
2.1. Анализ показателей и критериев эффективности эксплуатации тепловозов 19
2.2. Экспериментальные исследования эффективности использования мощности тепловозов типа 2ТЭ10 на полигоне обращения 28
2.2.1. Методы и средства сбора данных на полигоне обращения локомотивов 29
2.2.2. Методы обработки экспериментальных данных 31
2.2.3. Исследование режимов работы дизелей грузовых магистральных тепловозов в эксплуатации 32
3. Разработка методики оценки параметров рабочего процесса дизеля с учётом углов опережения верхнего коленчатого вала нижним и опережения подачи топлива 51
3.1. Методика расчёта показателей работы дизеля с учётом регулировки 51
3.2. Расчётная модель влияния регулировок дизеля на основные показатели его работы 85
4. Экспериментальные и теоретические исследования влияния регулировки дизеля на топливную экономичность 95
4.1. Исследование теплотехнического состояния дизелей 10Д100 после текущих ремонтов 95
4.2. Определение и анализ max и min угла опережения верхнего коленчатого вала нижним в дизелях со встречно движущимися поршнями 99
4.3. Определение экспериментальным путем оптимального угла опережения подачи топлива в зависимости от режимов работы дизеля 106
4.4. Оценка рабочего процесса дизеля при различии регулировок 112
4.5. Эффективность регулировки 116
4.6. Устройство для определения действительной диаграммы фаз газораспределения дизеля 10Д100 118
4.7. Оценка влияния регулировки на токсичность отработавших газов 120
5. Определение экономического эффекта от внедрения оптимальной регулировки дизеля 127
Заключение, основные выводы и результаты работы 132
Список использованных источников 134
Приложения 145
- Анализ факторов влияющих на расход топлива в эксплуатации
- Исследование режимов работы дизелей грузовых магистральных тепловозов в эксплуатации
- Расчётная модель влияния регулировок дизеля на основные показатели его работы
- Определение и анализ max и min угла опережения верхнего коленчатого вала нижним в дизелях со встречно движущимися поршнями
Введение к работе
Актуальность темы.
Железные дороги нашей страны являются крупным потребителем энергоресурсов, в частности дизельного топлива. С ростом перевозочной работы, выполняемой тепловозами, годовое потребление дизельного топлива еще более увеличится. В связи с этим бережное расходование его приобретает большое значение и требует изыскания новых резервов, которые позволили бы снизить затраты на топливо.
Совершенствование эксплуатационной работы, улучшение качества ремонта тепловозов, повышение мастерства локомотивных бригад всегда являются надежным источником постоянного снижения расхода топлива на железных дорогах страны. В то же время важную роль играют вопросы, связанные с повышением энергетической эффективности эксплуатируемого парка тепловозов, их модернизацией, в первую очередь грузовых тепловозов, на долю которых приходится 80% топлива, расходуемого на тягу поездов. Это относится прежде всего к тепловозам типа 2ТЭ10 и 2ТЭ116, которыми сейчас выполняется свыше 60% всей грузовой работы, а также к поставляемым промышленностью тепловозам ТЭ136.
При конструировании двигателей внутреннего сгорания независимо от их назначения определяющим фактором, как правило, является обеспечение надежной и экономичной работы на номинальном режиме. Однако эксплуатация тепловозных дизелей на железнодорожном транспорте имеет свою специфику и значительно отличается от условий работы дизелей в других отраслях народного хозяйства. Значительная по времени работа на холостом ходу и частичных нагрузках, постоянная сменяемость режимов, потребность в остановках и пусках дизеля - этими и другими особенностями в основном определяется относительно низкий коэффициент использования мощности локомотивов в поездной работе, который для тепловозов типа 2ТЭ10 не
превышает 50%, иными словами мощность этих локомотивов используется в среднем наполовину.
С учетом указанных особенностей использования двигателей внутреннего сгорания, средний эксплуатационный к. п. д. тепловозов типа 2ТЭ10, рассчитанный для реальных условий работы в грузовом движении за время нахождения локомотива во главе состава (с учетом простоя с поездом) значительно ниже к. п. д. тепловоза на номинальном режиме. Столь резкое снижение энергетической эффективности дизельного локомотива объясняется недостаточной приспособленностью дизель-генераторной установки тепловоза к работе в отмеченных выше условиях эксплуатации, значительно отличающихся от стабильного режима при номинальной мощности.
В работе анализируются причины снижения к. п. д. тепловоза в реальных условиях эксплуатации и на основе этого анализа предлагаются конкретные меры, направленные на повышение его экономичности.
Цель и задачи исследований.
Целью исследования является повышение топливной экономичности тепловозных дизелей типа ДЮО за счет совершенствования требований правил по ремонту на регулировку и их адаптации к наиболее часто реализуемым в эксплуатации режимам работы.
Для достижения поставленной цели в диссертации были поставлены и решены следующие задачи:
выполнить анализ существующих путей повышения топливной экономичности тепловозных дизелей на железных дорогах;
исследовать режимы работы грузовых магистральных тепловозов в грузовом, пассажирском и смешанном движениях;
исследовать теплотехническое состояние дизелей 10 ДЮО в эксплуатации после постройки (капитального ремонта), текущих
ремонтов и технического обслуживания в депо и после проведения им соответствующих регулировок;
- совершенствовать методику оценки параметров рабочего процесса
дизеля на каждом нагрузочном режиме из всего диапазона
реализованных в эксплуатации в зависимости от регулировки
геометрических углов опережения подачи топлива и опережения
верхнего коленчатого вала нижним;
- провести полные реостатные испытания дизеля с учетом разных
~ регулировочных значений;
- провести технико-экономический анализ выполненной работы.
Методика исследования.
При выполнении работы использовались методы экспериментального исследования, математического моделирования теплофизических процессов, математической статистики, регрессионного анализа, планирования и обработки эксперимента. При построении графических зависимостей использовались пакеты компьютерных программ Microsoft Excel, Statistica, Math CAD, Math LAB, Statgrahics и др.
Научная новизна состоит в следующем:
- в отличие от многих исследований, проведенных применительно к
t
экономичности тепловозных дизелей, в диссертации изложен новый
подход к повышению топливной экономичности двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в регулировке геометрических углов опережения верхнего коленчатого вала нижним и опережения подачи топлива дизеля тепловоза для каждого наиболее часто реализуемых режимов его работы в условиях эксплуатации;
- усовершенствована методика оценки параметров рабочего процесса
дизеля на каждом нагрузочном режиме из всего диапазона
реализованных в эксплуатации и в зависимости от регулировки
геометрических углов опережения подачи топлива и опережения верхнего коленчатого вала нижним;
по результатам расчетно-теоретических и экспериментальных проверок определены конкретные допуски на регулировочные значения, выставляемые на дизеле при проведении соответствующего вида текущего ремонта и технического обслуживания с учетом наиболее распространенного режима работы в эксплуатации;
разработано устройство определяющее действительную диаграмму фаз газораспределения дизеля 10Д100 в зависимости от различных значений геометрических углов опережения подачи топлива 0 и опережение верхнего коленчатого вала нижним Л(р;
произвести технико-экономический анализ выполненной работы.
Практическая ценность состоит в том, что без дорогостоящей и трудоемкой модернизации тепловозного дизеля при исследовании основных требований на регулировочные размеры дизеля с учетом наиболее часто реализуемых режимов работы в эксплуатации, разработана методика регулирования, использование которой даёт возможность существенного снижения расхода топлива, 2,5% удельного и 10% среднеэксплуатационного, и количества вредных выбросов в отработавших газах на единицу мощности, в среднем на 20%.
Реализация результатов работы.
Результаты работы реализованы при проведении текущего ремонта и технического обслуживания тепловозных дизелей в локомотивном депо Сызрань Куйбышевской железной дороги. Основные выводы диссертации представлены в службу локомотивного хозяйства Куйбышевской железной дороги для утверждения их в дополнение к правилам по деповскому ремонту
тепловозов типа ТЭ10 на всех видах технического обслуживания и текущего ремонта в локомотивных депо дороги.
Апробация работы.
Основные материалы, положения и результаты диссертационной работы поэтапно докладывались, обсуждались и получили одобрение на межвузовской научно-технической конференции СамГАПС «Вклад ученых вузов в научно-технический прогресс на железнодорожном транспорте» (Самара, 2003 г.), межвузовской научной конференции студентов и аспирантов СамГАПС (Самара, 2003 г.) и на семинарах кафедры «Локомотивы» СамГАПСа (Самара 2000-2004гг.)
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 2 статьи, 3 тезиса и получено авторское свидетельство на интеллектуальный продукт.
Структура и объем и работы.
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и основных выводов, списка использованных источников и 3 приложений.
Материалы диссертации содержат 123 страницы основного текста, 10 таблиц и
I»
30 рисунков. Список использованных источников содержит 114 наименований.
Общий объем работы 171 страница.
#
Анализ факторов влияющих на расход топлива в эксплуатации
Стоимость топливо-энергетических ресурсов, потребляемых на тягу поездов, составляет более 16% общих эксплуатационных расходов железных дорог и свыше 41% расходов локомотивного хозяйства [2, 5, 6]. Отсюда видно, что основной путь экономии топлива в локомотивном хозяйстве это экономия на тяге поездов [49, 50].
При работе тепловоза происходит процесс преобразования тепловой энергии в механическую. Потери энергии происходят в дизеле, тяговом генераторе, в тяговых электродвигателях и т. д. Сокращение потерь энергии в любом из агрегатов тепловоза увеличивает долю используемой энергии на тягу поездов, т. е. повышает к.п.д. тепловоза.
Прогресс в тепловозостроении обеспечил повышение к.п.д. дизельных локомотивов и соответственно снижение расхода дизельного топлива. Расход топлива на измеритель работы тепловоза зависит от его к.п.д., профиля пути, удельных сопротивлений движению состава и локомотива, массы поезда, степени использования вагонов, длительности холостой работы дизеля на стоянках и ряда других технических и эксплуатационных факторов.
Анализ наиболее авторитетных материалов [2, 5, 6, 23, 27, 87, 92] показывает, что уменьшение основного сопротивления движению подвижного состава, снижение потерь энергии при ее преобразовании на локомотивах, максимальное использование кинетической энергии (живой силы) поезда, уменьшение расхода топлива на собственные и вспомогательные нужды, улучшение организации эксплуатации локомотива - представляют основные пути экономии топлива.
Согласно упомянутых источников, мероприятия по экономии топлива на тепловозах можно разделить на организационные и технические рис. 1.2.
К организационным относят мероприятия, не требующие использования новых технических решений. Например, оптимизация способа обслуживания поездов на данном полигоне, оптимизация потребного количества локомотивов и структуры локомотивного парка, использование на конкретных участках подталкивающих локомотивов и другие. К техническим мероприятиям следует отнести, например, использование различных схем рационального прогрева тепловозов при их отстое, использование локомотивов с двумя дизелями в секции, модернизация локомотива и другие.
Исследования проведенные Хомичем А.З., Тупициным О.И., Симсоным А.Э., Грищенко А.В., Володиным А.И., Носыревым Д.Я., Киселевым В.И.. Скороводниковым Е.И., Кашниковым В.Н., Четверговым ВА., Просвировым Ю.Е., Шаровым В.Д., Громаковским Д.Г. по экономии топлива и диагностированию дизелей в зоне наиболее экономичного расхода топлива при частичных нагрузках, повышения температуры воды и масла в системе дизеля на неноминальных режимах путем модернизации системы охлаждения, введение автоматической корректировки генераторной характеристики и приближение ее к экономической в зависимости от температуры окружающей среды, подогрев воздуха в ресивере на малых нагрузках, усовершенствование процессов воздухоснабжения и смесеобразования, снижение минимальной частоты вращения коленчатого вала дизеля на холостом ходу, отключение ряда топливных насосов и группы цилиндров, усовершенствование процесса пуска дизеля и его работы при переходных процессах и др. показали экономию топлива в среднем 2 - 3% на каждое мероприятие [2, 5, 6].
При внедрении комплексной теплотехнической модернизации тепловозов 2ТЭ10М этими мероприятиями экономия топлива в период осенне-зимней эксплуатации составила до 8% и в весенне-летний - до 5%.
Организационные мероприятия [87] по экономии топлива такие как оптимизация способов обслуживания поездов на участке локомотивами, оптимизация структуры локомотивного парка и работа локомотива дают существенную экономию топлива в перевозочной работе на 104 т-км брутто, но не всегда выполняемы из-за ряда непостоянных причин возникающих на ж.д. направлениях.
Основными перспективными техническими мероприятиями [2, 5, 6] позволяющими повысить топливную экономичность в эксплуатации до 20% на режимах холостого хода, частичных нагрузках и при простое является применение тепловозов с большой секционной мощностью, с двумя дизелями в секции и газотурбинных бустеров, но они требуют больших капитальных затрат.
Эти мероприятия в отличие от выше перечисленных технических решений позволят снизить расходы при техническом обслуживании и ремонте за счет крупно-агрегатного метода ремонта до 6 - 8% [1, 43].
Несомненно, что реализация рассматриваемых мероприятий потребует решения ряда принципиально-новых для тепловозостроения технических задач. Это связано с обеспечением вентиляции неработающих под током тяговых электродвигателей, автоматизацией процесса выключения второй секции из работы и включением ее в работу, отключением дизеля и одного ряда цилиндров дизеля и т.д., однако предполагаемая высокая эффективность рассматриваемых мероприятий должна стать большим стимулом для их решения.
Исследование режимов работы дизелей грузовых магистральных тепловозов в эксплуатации
Как видно из формулы (2,13), величина критерия Кп зависит от трех основных факторов: 1. Падения эффективного к.п.д. дизеля на неноминальных режимах, обусловленного снижением к.п.д. дизеля по сравнению с номинальным. Чем больше падение эффективного к.п.д. дизеля, тем в большей мере проявляется влияние этого фактора, снижающего среднеэксплуатационный к.п.д. 2. Увеличения продолжительности работы дизеля на режимах холостого хода Ахх.х. и повышения относительной величины расхода топлива при работе на этих режимах Ьх..х., особенно в зимнее время. 3. Переходные процессы, характерные для эксплуатации тепловозов, учитываемые коэффициентом Кш зависящим от количества и длительности переходных процессов. Все эти факторы уменьшают среднеэксплуатационный к.п.д. и характеризуют недостаточную приспособленность тепловозных дизель-генераторов к условиям работы локомотива. Следовательно, для повышения критерия среднеэксплуатационной экономичности тепловозов необходимо приближение тепловозной характеристики к зоне наименьших удельных расходов топлива, уменьшение времени работы дизеля и снижение расхода топлива на холостом ходу, уменьшение количества и продолжительности переходных процессов.
Наибольший интерес с точки зрения экономической эффективности тепловозов, несомненно представляет оптимизация рабочего процесса двигателя на вспомогательных режимах, к которым относятся работа дизеля на холостом ходу и в процессе ремонта и обслуживания.
Наибольшие потери топлива наблюдаются в основном на грузонапряженных однопутных участках, где двигатели работают значительное время на неноминальных, вспомогательных режимах и холостом ходу, которым присущи резкое ухудшение параметров рабочего процесса.
Опытные поездки показали, что даже грузовые тепловозы основное время работают при нагрузках, не превышающих 50 - 60% от номинальной. Это обстоятельство еще в большей степени относится к тепловозам эксплуатирующимся в пассажирском и особенно маневровом движении, при котором максимальная мощность практически не реализуется. Как отмечалось ранее, среднеэксплуатационный расход топлива на тепловозах определяется в основном расходом на неноминальных режимах, в то время как при конструировании двигатели рассчитывают на обеспечение надежной и экономичной работы на номинальном и близком к нему режимах, это приводит к недоиспользованию заложенных в конструкции дизеля возможностей повышения его надежности и экономичности. Так, исследование работы тепловозного дизеля на вспомогательных режимах показало, что время работы дизелей на этих режимах зависит от: типа тепловоза, массы поезда, профиля пути, климатических условий, технической оснащенности и характеристики участков (двухпутный, однопутный, смешанный), объема грузооборота (для грузовых тепловозов), объема пассажирских перевозок (для пассажирских тепловозов), характера и т объема маневровой работы (для маневровых тепловозов) и т. д. В результате статистической обработки большого количества материалов поездок были получены распределения времени работы под нагрузкой для тепловозов 2ТЭ10М за весь период следования с поездом (табл.2.1). Влияние характера участка пути на распределение времени работы двигателя видно из табл. 2.2. Результаты обработанных данных методами математической статистики продолжительности режимов для шести весовых категорий поездов за год приведены в табл. 2.3. Среднесуточный бюджет времени работы тепловозов, эксплуатируемых в смешанном движении и рассчитанный за длительный период времени показан на рис. 2.4. Из него следует, что тепловозы этой группы в поездной работе находятся лишь половину всего времени его эксплуатации. Значительное время (до 50 %) тепловоз находится на станции оборотного депо (в оборотном депо) и в основном депо. Расход топлива тепловозом по месту его дислокации показаны на рис. 2.5. Из него, прежде всего, следует, что 17% сжигаемого тепловозом топлива приходится на время его нахождения в основном депо на экипировке, в пунктах оборота в ожидании поезда и т.п. Таким образом, за последние десять лет расходы топлива на эти нужды увеличились на 8 - 10%, что составляет в среднем порядка 60 - 75 тонн топлива на один тепловоз в год.
Расчётная модель влияния регулировок дизеля на основные показатели его работы
При случайном сочетании факторов Хь Х2 и пределах их варьирования согласно табл. 3.2 получены возможные отклонения параметров для номинального режима работы:
Приведенные отклонения значительно превышают величины, регламентируемые ГОСТ 867082 и правилами ремонта [64, ПО]. Следовательно, имеющие место в эксплуатации диапазоны варьирования основных технико-экономических показателей обусловлены случайными отклонениями технических параметров при сборке дизель-генераторной установки.
В соответствии с принятой технологией реостатных испытаний параметры дизеля корректируются в соответствии с требованиями правил ремонта. При этом мощность регулируется за счет изменения цикловой подачи во все цилиндры, а давление по цилиндрам регулируется за счет изменения цикловой подачи в данный цилиндр. Таким образом, тепловозные дизели выходят из ремонта с различными значениями регулировочных и эксплуатационных показателей. Полученная регрессионная модель показала свою работоспособность и может быть использована для целей предсказания значений отклика эффективных и индикаторных параметров от регулировок в задачах интерполяции и экстраполяции, а также для лучшего уяснения механизма явлений, протекающих в исследуемом дизеле. Полученные уравнения регрессии позволяют приводить основные эффективные и индикаторные показатели работы дизеля к влиянию регулировок. Длительная эксплуатация дизелей 1 ОД 100 на тепловозах 2ТЭ10 показала, что их теплотехническое состояние со дня ввода их в эксплуатацию после постройки и проведения им текущих и капитальных ремонтов ухудшается за время гарантийной работы (пробега) [3,40]. Основными прирабатывающимися деталями, влияющими на топливную экономичность дизеля, являются детали вертикальной передачи, это шестерни конических зубчатых передач и шлицевая муфта, а также паразитные шестерни привода валов топливных насосов. При увеличении угла опережения верхнего коленчатого вала нижним Аф на 2, из-за приработки в зубьях шестерён и шлицах шлицевой муфты в вертикальной передачи, угол опережения подачи топлива 9 уменьшается на 1. На рис. 4.1 представлены зависимости удельного эффективного расхода топлива дизелей 1 ОД 100 от пробега, после выполнения им текущих и капитальных ремонтов. Для сравнения приведены данные по новым дизелям после постройки на заводе-изготовителе. В распределении параметры приведены к стандартным атмосферным условиям 20 С, 101,3 кПа и номинальной мощности 2206 кВт. Из приведенных данных видно, что расход топлива дизелем увеличивается с увеличением пробега тепловоза. Приведенные данные по удельному расходу топлива дизелей связаны с ухудшением технического состояния тепловозов парка депо. Увеличение расхода связано с тем, что при начале эксплуатации дизеля после ремонта или постройки происходит приработка деталей узлов и механизмов, что приводит к увеличению ремонтных зазоров и размеров, выставляемых на дизеле при его сборке и регулировке. Увеличение повышенного расхода топлива происходит тем быстрее, чем интенсивнее происходит изнашивание-приработка деталей узлов и механизмов дизеля. Из зависимостей видно, что дизеля после текущих ремонтов расходуют больше топлива, чем после постройки и капитального ремонта, но в дальнейшей эксплуатации увеличение расхода топлива происходит менее интенсивно, чем у дизелей прошедших капитальные виды ремонта. Это объясняется тем, что ремонт этого дизеля производится с использованием деталей бывших в эксплуатации. На дизелях после капитального ремонта или вновь построенных, где используются новые и частично новые детали и узлы увеличение расхода топлива происходит более интенсивно. Таким образом, расход топлива в начале эксплуатации у дизелей прошедших капитальные виды ремонта меньше дизелей прошедших деповские виды ремонта, но в дальнейшем с увеличением пробега становится больше, т.к. приработка происходит у вновь изготовленных деталей интенсивнее чем у бывших в эксплуатации. Из всех трех кривых видно, что интенсивность роста расхода топлива дизелями падает от пробега, т.к. износ-приработка деталей уменьшается. В результате суммарного времени наработки дизелей, отклонения ремонтных размеров деталей и регулировочных зазоров зачастую превышают допускаемые при их сборке на ремонте, что приводит к разрегулировке и дальнейшему перерасходу топлива. Вследствие этого, по мере необходимости необходимо производить контроль и регулировку размеров и зазоров в процессе гарантийного срока работы дизелей (рис. 4.2) [34].
Определение и анализ max и min угла опережения верхнего коленчатого вала нижним в дизелях со встречно движущимися поршнями
Полные реостатные испытания тепловоза включают в себя анализ отработанных газов (ОГ). С учётом правил ведения на каждую секцию локомотива экологического паспорта, было произведено исследование количества вредных выбросов в отработанных газах в зависимости от разной регулировки.
Реализация высоких требований в отношении уменьшения вредных выбросов, связано с ремонтом и техническим диагностированием топливной аппаратуры дизеля (топливного насоса высокого давления и форсунки). Давление подачи топлива в форсунку и качество распыла форсунки составляют качественное смесеобразование топливовоздушной смеси в цилиндре, что в свою очередь несомненно влияет на качество процесса ее сгорания.
Важным составляющим качественного протекания процесса сгорания является также техническое состояние камеры сгорания (цилиндро-поршневой группы) - герметичность и линейная величина камеры сжатия.
При работах по снижению вредных выбросов наблюдается неоднократная связь между снижением содержания окислов NOx, СО и и частиц сажи С. При уменьшении одной из составляющих происходит увеличение другой и наоборот. Подобное наблюдается при изменении содержания NOx в выхлопе, расхода топлива и уровнем шума двигателя. Установлено, что двигатель, настроенный на минимальный расход топлива за счет высокого давления впрыска, минимальной линейной величины камеры сжатия и короткого времени сгорания, генерирует высокий уровень шума, что неприемлемо для серийного тягового подвижного состава.
Изучение выбросов проводилось с анализом выхлопных газов при разном значении угла опережения верхнего коленчатого вала нижним Аф и режимах работы дизеля. Анализ выхлопных газов производился дымомером ИДС-1М с погрешностью измерения 5% и газоанализатором 1400PL с погрешностью измерения 1%. Этими приборами определялись следующие параметры: Ф коэффициент избытка воздуха суммарный asum и в цилиндре а; окислы углерода СО; окислы азота NO; сажи С. Эксперимент проводился по методике, приведённой в разделе 4.3. Все токсичные компоненты, содержащиеся в ОГ дизеля, по природе их возникновения можно разделить на две основные группы факторов, определяющих их токсичность - конструктивные и эксплуатационные факторы [36, 37]. Конструктивными факторами, влияющими на образование токсичных компонентов в камере сгорания дизеля, является рабочий объем одного цилиндра Vh и степень сжатия є. При уменьшении рабочего объема 0 цилиндра, топливо впрыскивается в более ограниченное пространство и часть его может попадать на относительно холодные стенки камеры сгорания. Особенно эта тенденция проявляется в связи с увеличением давлений впрыскивания, приводящим к удлинению струи впрыскиваемого топлива. По этой причине с уменьшением Vh ухудшаются качество распыливания топлива, его смешивание с воздухом и эффективность сгорания.
Поэтому при прочих равных условиях с точки зрения топливной экономичности считается более целесообразными конструкции дизелей с меньшим числом цилиндров и большим рабочим объемом одного цилиндра Vh. При этом ухудшение процесса смесеобразования при уменьшении Vh из-за попадания топлива на стенки камеры сгорания влечет за собой неполное сгорание топлива и увеличение эмиссии продуктов неполного сгорания. Другим фактором влияния Vh на токсичность отработавших газов является увеличение максимальных температур сгорания при увеличении рабочего объема цилиндра Vh. В частности, повышение температуры Tz, соответствующей моменту достижения максимального давления сгорания pz, способствует интенсивному образованию NOx и увеличивает диссоциацию СОг с образованием СО. Поэтому желательно уменьшение Vh и снижение Tz при неизменном pz, но при этом наблюдается ухудшение топливной экономичности дизеля. Кроме того, при пониженных температурах сгорания замедляется реакция окисления сажистых частиц, образующихся при термическом распаде углеводородов, что приводит к увеличению эмиссии сажи. Поэтому, с учетом эмиссии токсичных компонентов отработавших газов, существует оптимальное значение Vh, обеспечивающее наилучшие экологические показатели транспортного дизеля.
В работе было рассмотрено влияние на токсичность отработавших газов дизелей степени сжатия. Степень сжатия є определяется соотношением хода поршня S, диаметра цилиндра D и с рабочим объемом Vh- Для дизелей типа Д100 при неизменном D увеличение степени сжатия є, как это было рассмотрено ранее, достигается увеличением суммарного хода поршней S за счет опережения верхнего коленчатого вала нижним , что увеличивает Vh, и соответственно уменьшение камеры сгорания Va Эксперименты подтвердили, что с увеличением S интенсифицируется вихревое движение воздушного заряда в цилиндре, ускоряются процессы смесеобразования и сгорания, повышаются температуры конца сжатия и максимальная температура сгорания Ттах, увеличивается давление сгорания pz, что приводит к интенсивному образованию NOx, снижению выбросов продуктов неполного сгорания С и эмиссий СО (рис. 4.10 б, в, г).
В работе оценивали влияние на токсичность отработавших газов дизелей уровень их форсирования. Наблюдали повышение уровня форсирования, что позволяет повысить мощность дизеля без увеличения рабочих объемов и числа цилиндров, что особенно важно для транспортных дизелей, к которым предъявляются жесткие требования и массогабаритные показатели.
Вторым способом форсирования является повышение частоты вращения коленчатого вала двигателя, или путем увеличения цикловой подачи топлива (нагрузки). Основное внимание обращалось на увеличение агрегатной мощности с помощью форсирования по нагрузке и одновременного повышения давления наддувочного воздуха (коэффициент избытка воздуха а). При неизменной подаче воздуха и топлива (увеличении нагрузки) в цилиндр дизеля наблюдали уменьшение а, снижение полноты сгорания и увеличение эмиссии продуктов неполного сгорания топлива, особенно сажи (рис. 4.10 а).
Было показано, что предельные величины а, при которых начинается снижение эффективности сгорания, увеличение эмиссии продуктов неполного сгорания и дымности отработавших газов, изменяются в пределах 01=1,3-5-1,8 и зависят от совершенства конструкции дизеля и способа смесеобразования.
