Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время в связи с проблемой экономии энергоресурсов, получаемых из нефти, ведутся исследования в области поиска новых альтернативных видов топлива для силовых энергетических установок. Сейчас возможности увеличения ресурсов дизельного топлива за счет переработки нефтяного сырья ограничены, поэтому очевиден повышенный интерес к применению в дизелях новых альтернативных видов топлива, использование которых не приведет к изменению технического состояния энергетических установок и к ухудшению их технических и экономических характеристик.
Конвертирование серийных дизельных двигателей для работы на альтернативных смесевых видах топлива потребует проведения теоретических исследований с последующим решением различных оптимизационных задач как по составу смесевых видов топлива, так и по организации рабочего цикла дизеля при их использовании.
Проблемы, связанные с использованием смесевых видов топлива в тепловозных энергетических установках, позволили сформулировать цель диссертационной работы и наметить перечень задач, решение которых необходимо для достижения поставленной цели.
Цель диссертационной работы – разработка математических моделей и методов для комплексной оценки эффективности использования смесевых углеводородных видов топлива в тепловозных дизелях.
Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи.
1. Выполнен анализ методов, технических решений и перспектив использования смесевых углеводородных видов топлива в транспортных двигателях большой агрегатной мощности.
2. Предложена математическая модель для расчета элементарного состава, физико-химических и теплофизических характеристик смесевых углеводородных видов топлива при различном количестве альтернативной добавки к дизельному топливу среднего элементарного состава по ГОСТ 305-82.
3. Разработана математическая модель для расчета термодинамических параметров топливно-воздушной смеси в характерных точках рабочего цикла дизеля, учитывающая изменение элементарного состава, физико-химических и теплофизических характеристик топливной смеси и состав рабочего тела.
4. Созданы методика и математическая модель для расчета термодинамических параметров рабочего цикла дизеля, формирования теоретической индикаторной диаграммы, оценки индикаторных, эффективных, экономических и динамических показателей цикла при использовании смесевых углеводородных видов топлива различного элементарно-химического состава.
5. Обосновано использование композиционного ортогонального планирования двухфакторного эксперимента со звездными точками для оценки вида и оптимального состава топливной смеси и момента ее подачи в цилиндр для заданного значения агрегатной мощности дизеля.
6. Выбран параметр оптимизации и разработана имитационная модель, позволяющие сформировать значения функции отклика для выбранного плана испытаний и заданного диапазона изменения независимых факторов.
7. Обоснован метод комплексной оценки технико-экономической эффективности использования в тепловозных дизелях смесевых углеводородных видов топлива по обобщенному критерию эффективности с учетом эксплуатационных режимов работы.
Методы исследования. При проведении теоретических исследований использовались методы численного решения систем уравнений; методы ЦНИИДИ, И. И. Вибе и Гриневецкого – Мазинга для формирования параметров индикаторной диаграммы рабочего цикла дизельных двигателей для различных параметров нагрузки; методы планирования эксперимента, критерии для оценки значимости коэффициентов регрессии функции отклика и адекватности математических моделей; методы математической статистики и метод свертки при технико-экономической оценке эффективности использования смесевых углеводородных видов топлива.
Теоретические исследования выполнены с использованием компьютерных программ, реализующих разработанные в диссертационной работе модели. Программы подготовлены в среде программирования Turbo Pascal 7.0. Диссертация оформлена с использование пакета программ Office 2007.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем.
1. Разработаны математические модели для оценки элементарного состава, физико-химических и теплофизических характеристик различных смесевых углеводородных видов топлива.
2. Предложена методика и рассчитаны теоретические характеристики представляющие изменение физико-химических и теплофизических параметров рабочего тела в зависимости от его элементарного состава и температуры рабочей смеси в цилиндре дизеля.
3. Создана математическая модель для формирования параметров индикаторной диаграммы, расчета индикаторных и эффективных показателей рабочего цикла с учетом вида используемого топлива, параметров настройки и эксплуатационных режимов работы тепловозного дизеля.
4. Предложена методика, позволяющая корректировать параметры закона выгорания смесевых углеводородных видов топлива в цилиндре дизеля с учетом элементарно-химического состава топливной смеси, угла опережения подачи дизельного топлива и эксплуатационных режимов работы тепловоза.
5. Обосновано использование композиционного ортогонального планирования двухфакторного эксперимента со звездными точками для оценки вида и оптимального состава топливной смеси и момента ее подачи в цилиндр дизеля для заданных значений агрегатной мощности дизеля и частоты вращения коленчатого вала.
6. Выбран параметр оптимизации и разработана имитационная модель, позволяющие сформировать значения функции отклика для выбранного плана испытаний и заданного диапазона изменения независимых факторов, определены значения независимых факторов для каждого вида топливной смеси, обеспечивающие максимально возможные значения среднего эффективного давления рабочего цикла и соответствующие ему значения удельного расхода топливной смеси.
7. Обоснован метод, позволивший выполнить комплексную оценку технико-экономической эффективности использования в транспортных двигателях смесевых углеводородных видов топлива по обобщенному критерию эффективности с учетом эксплуатационных режимов работы энергетической установки тепловоза.
Положения, выносимые на защиту.
1. Математические модели для оценки элементарного состава, физико-химических и теплофизических характеристик смесевых углеводородных видов топлива.
2. Методы построения характеристик, представляющих изменение средней мольной и массовой теплоемкости топливно-воздушной смеси в зависимости от ее элементарного состава и температуры в цилиндре дизеля.
3. Математические модели для расчета термодинамических параметров рабочего тела в характерных точках цикла, параметров индикаторной диаграммы, индикаторных и эффективных показателей рабочего цикла дизеля, работающего на смесевых углеводородных видах топлива.
4. Методика и алгоритм для корректировки параметров закона выгорания смесевых видов топлива в цилиндре дизеля с учетом вида топлива, параметров процесса топливоподачи и эксплуатационных режимов работы тепловоза.
5. Математическая модель для оценки оптимального количества альтернативной добавки в составе топливной смеси и угла опережения подачи, обеспечивающих минимум расхода топлива для заданного уровня среднего эффективного давления.
6. Методика комплексной оценки технико-экономической эффективности использования смесевых видов топлива в энергетических установках тепловозов с учетом эксплуатационных режимов их работы.
Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы обоснована теоретически и подтверждается сравнением
расчетных значений среднего эффективного давления рабочего цикла дизеля с экспериментальными данными, полученными при испытании тепловозов, отклонения не превышают 7 % с учетом класса точности приборов, используемых на испытательных стендах;
максимальных значений термодинамических параметров рабочего цикла, рассчитанных по математической модели, с результатами полных реостатных испытаний, выполненных с использованием современных систем диагностирования «Магистраль», «АЛМАЗ», «КИПАРИС», «АРАМИС», расхождение не превышает 8 %.
Практическая ценность диссертации заключается в разработке теоретических положений, методик, алгоритмов и программ, которые могут быть использованы
в научно-исследовательских и проектных организациях, занимающихся вопросами расчета и проектирования систем топливоподачи «всеядных» дизельных двигателей, разработкой технических и технологических решений, направленных на улучшение эксплуатационных технико-экономических характеристик тепловозных дизелей серийных конструкций;
в транспортных вузах при изучении конструкции, принципа работы, методов расчета параметров рабочего цикла дизелей, работающих на смесевых видах углеводородного топлива; для расчета индикаторных, эффективных, экономических эксплуатационных характеристик «всеядных» транспортных энергетических установок; для оценки суммарной токсичности отработавших газов дизельных двигателей, работающих на альтернативных видах топлива.
Реализация результатов работы. Результаты работы приняты к внедрению в ОАО «Научно-исследовательский институт технологии, контроля и диагностики железнодорожного транспорта (НИИТКД)», в ООО «Научно-производственный центр «Кипарис Т» для совершенствования программного сопровождения контрольно-диагностических комплексов для оценки и прогнозирования технического состояния основного и вспомогательного оборудования дизельного подвижного состава.
Личный вклад соискателя. Анализ состояния вопроса по теме диссертационной работы, формирование цели диссертационной работы и задач исследования. Разработка математических моделей для оценки элементарного состава топливной смеси; характеристик, представляющих изменение теплофизических характеристик смесевых углеводородных видов топлива в зависимости от элементарного состава и температуры рабочего тела; термодинамических параметров топливно-воздушной смеси в характерных точках рабочего цикла дизеля, учитывающих изменение физико-химических, теплофизических характеристик топливной смеси и состава рабочего тела в цилиндре двигателя; термодинамических параметров рабочего цикла дизеля, формирования теоретической индикаторной диаграммы, индикаторных, эффективных, экономических и динамических показателей цикла при использовании смесевых углеводородных видов топлива различного элементарно-химического состава; возможности использования композиционного ортогонального планирования двухфакторного эксперимента со звездными точками для оптимизации состава топливной смеси и момента ее подачи в цилиндр для заданного значения агрегатной мощности дизеля с использованием ортогонального композиционного планирования эксперимента; технико-экономической эффективности использования в тепловозных дизелях смесевых углеводородных видов топлива по обобщенному критерию эффективности. Основные научные положения и результаты, изложенные в диссертации, получены автором самостоятельно.
Апробация работы. Основные результаты работы по теме диссертации докладывались и обсуждались на всероссийской научно-технической конференции «Транспорт-2009» (Ростов-на-Дону, 2009), на международной научно-практической конференции «Проблемы транспорта Дальнего Востока» (Владивосток, 2009), на научно-технической конференции «Инновационные проекты и новые технологии на железнодорожном транспорте» (Омск, 2009), на научно-практической конференции с международным участием «Инновации для транспорта» (Омск, 2010, 2012).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, в том числе шесть – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения с выводами, списка использованной литературы из 73 наименований, изложена на 201 страницах текста, содержит 33 таблицы и 24 рисунка.
