Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса 8
1.1. Вредное воздействие отработавших газов транспортных двигателей на окружающую среду 8
1.2. Методы оценки состояния атмосферного воздуха 15
1.3. Анализ влияния характеристик транспортных двигателей на образование токсичных веществ 18
2. Разработка математической модели для формирования режимов работы тепловозов 2М62 на заданном полигоне эксплуатации 31
2.1. Основные теоретические положения математической модели для формирования режимов работы тепловозов 31
2.2. Разработка режимных карт ведения поезда и методики оценки топливной экономичности тепловозов на заданном участке 34
3. Разработка математической модели для расчета термодинамических параметров рабочего цикла дизеля 14Д40 с учетом угла опережения подачи топлива 56
3.1. Теоретические основы для разработки методики оценки параметров рабочего цикла 56
3.2. Моделирование параметров рабочего цикла с учетом условий эксплуатации 71
4. Разработка математической модели для расчета экологических характеристик тепловозного дизеля 14Д40 97
4.1. Физико-химические основы образования и выделения токсичных веществ в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания 97
4.2. Разработка методики для расчета количества продуктов сгорания топлива в тепловозном дизеле 14Д40 102
4.3. Оценка адекватности математической модели для расчета продуктов сгорания топлива в тепловозном дизеле 14Д40
методом равновесного состава 115
5. Методика оценки затрат на ремонт и эксплуатацию тепловозов 130
Заключение 138
Список использованных источников 142
- Анализ влияния характеристик транспортных двигателей на образование токсичных веществ
- Разработка режимных карт ведения поезда и методики оценки топливной экономичности тепловозов на заданном участке
- Моделирование параметров рабочего цикла с учетом условий эксплуатации
- Разработка методики для расчета количества продуктов сгорания топлива в тепловозном дизеле 14Д40
Введение к работе
Железные дороги практически всех стран мира являются важнейшей составной частью транспортной системы страны, на долю которой приходится большая часть грузооборота и пассажирских перевозок Производственная деятельность железнодорожного транспорта оказывает воздействие на окружающую среду всех климатических зон и географических полюсов. Несмотря на то, что железнодорожный транспорт, его тяговый подвижной состав оказывает неблагоприятное воздействие на все звенья биосферы, доля его влияния, по сравнению с другими видами транспорта, существенно меньше, так как он является одним из самых экономичных видов транспорта по расходу топлива на единицу выполненной работы.
Деятельность железнодорожного транспорта в наибольшей степени отражается на атмосфере в районах, где в качестве подвижного состава используются тепловозы с дизельными силовыми установками.
Многочисленными исследованиями, проведенными в области эксплуатации тепловозов, установлено, что количество вредных выбросов в отработавших газах дизельных локомотивов зависит от качества настройки дизель-генераторной установки и эффективности их использования при выполнении поездной работы. Очевидно, что эксплуатация локомотивов большой мощности на промежуточных (нерасчетных) режимах способствует снижению полноты сгорания топлива, т.е. приводит к его перерасходу, с одновременным увеличением количества вредных выбросов в отработавших газах.
Значительное ужесточение требований по охране окружающей среды потребует внедрения в систему ремонта экспериментальных методов для оценки экологического воздействия тепловозов на окружающую среду, то есть организацию пунктов экологического контроля (ПЭК). Оснащение ПЭК должно проводиться газоанализаторами, которые позволят оценить содержание в отработавших газах не только количества вредных выбросов (количество окислов азота, окиси углерода, дымность и т. д.) но и количество парниковых газов.
Значительные эксплуатационные затраты, связанные с периодической аттестацией приборов экологического контроля, заменой контрольных датчиков заставляют работников депо "экономить" длительность их исправной работы и контролировать экологические характеристики тепловоза только после его настройки. Кроме того, применение газоанализаторов практически не дает рекомендаций по изменению параметров настройки дизеля с целью уменьшения количества вредных выбросов.
Для повышения эффективности экологического контроля в основных локомотивных депо пункты реостатных испытаний, которые обычно совмещены с пунктами экологического контроля, целесообразно оснащать электронно-вычислительной техникой типа IBM. Это позволит использовать модельные методы оценки количества вредных выбросов в отработавших газах и расчетом суммарных отчислений на охрану окружающей среды с учетом установившегося на исследуемом полигоне спектра нагрузочных режимов тепловозов.
Аналитическое, модельное исследование качества настройки тепловозов позволит существенно снизить величину эксплуатационных расходов, повысить экономичность эксплуатации тепловозов, оценить изменение температурных и динамических нагрузок на детали дизеля с изменением параметров настройки и, самое главное на сегодняшний день, оценить степень экологического воздействия тепловоза с заданным уровнем настройки на окружающую среду.
Внедрение аналитических методов позволит оперативно оценить и спрогнозировать изменение термодинамических, экономических и экологических параметров работы дизеля от внедрения в систему ремонта и в систему эксплуатации локомотивов технических и технологических мероприятий.
Разработка экспериментальных и аналитических методов диагностиро вания узлов и деталей дизеля, оценки их надежности и прогнозирования остаточного ресурса, определение ожидаемой эксплуатационной экономичности и расчет стационарных и динамических экологических характеристик дизельного подвижного состава потребует неотложного решения следующих задач.
1. Оценка эксплуатационной экономичности тепловозов по результатам реальной эксплуатации, профилю пути и установленным скоростям движения.
2. Определение термодинамических, экономических и экологических параметров тепловозных энергетических установок с учетом угла опережения подачи топлива во всем диапазоне нагрузочных и скоростных режимов.
3. Определение номенклатуры и количества продуктов сгорания дизельных топлив углеводородного состава в цилиндре дизеля.
Решение этих проблем определило содержание настоящей диссертационной работы, основные положения которой представляются к защите.
1. Анализ методов оценки эксплуатационной экономичности тепловозов, разработка методики для формирования режимных карт ведения поезда и расчета нормативного и фактического удельного расхода топлива на тягу поездов.
2. Анализ методов и средств, позволяющих определить количество вредных выбросов и парниковых газов в продуктах сгорания топлива транспорт ных дизелей, разработка методики построения экологических характеристик тепловозных двигателей с учетом изменения термодинамических параметров рабочего цикла дизеля.
3. Сравнительный анализ аналитических и экспериментальных методов оценки количества вредных выбросов в отработавших газах тепловозных дизелей, оценка адекватности математической модели для расчета количества продуктов сгорания топлива в цилиндре двигателя.
4. Разработка модели, алгоритма и компьютерной программы для ПЭВМ типа IBM для оценки количества вредных выбросов в отработавших газах с учетом параметров процесса выгорания топлива.
5. Использование разработанных моделей и программного обеспечения для оценки эффективности технологических и технических мероприятий, направленных на улучшение экологических характеристик тепловозов. Экономическая оценка эффективности предложных мероприятий.
Анализ влияния характеристик транспортных двигателей на образование токсичных веществ
Ясно, что меры по снижению токсичности отработавших газов должны быть направлены на уменьшение количества наиболее опасных компонентов в выбросах дизелей. Для выработки рекомендаций по снижению экологического воздействия тепловозных дизелей на окружающую среду воспользуемся ранее проведенными исследованиями [4, 6, 7, 20 - 24]. Снижение токсичности и объема вредных веществ в выбросах достигается следующими способами.
Регулировкой угла опережения подачи топлива и подбором топливной аппаратуры [25, 26].
Образование оксидов азота при сгорании дизельного топлива зависит, в основном, от максимальных местных температур и максимальной температуры цикла, коэффициента избытка воздуха, концентрации свободного кислорода в продуктах сгорания и от времени протекания процесса выгорания топлива. Изменяя угол опережения подачи топлива, можно воздействовать, в нужном направлении, на период задержки воспламенения топлива и на максимальную температуру сгорания. При уменьшении угла опережения впрыска топлива существенно снижается максимальная температура цикла (вследствие смещения сгорания на такт расширения). Уменьшение угла опережения подачи топлива на 1п.к.в. снижает концентрацию окислов азота (NOx) в отработавших газах на (150...200)-10-6 %.
На выделение окиси углерода изменение угла опережения впрыска почти не влияет. Содержание сажи в отработавших газах уменьшается с увеличением угла опережения впрыска топлива. Таким образом, уменьшая угол опережения подачи топлива, можно снизить выделение окислов азота дизелями, но при этом выделение сажи заметно возрастает, и для его уменьшения необходимо принимать специальные меры [27-30].
Большое влияние на токсичность дизелей оказывают характеристики работы топливной системы, такие как: продолжительность и качество впрыска топлива [31-34]. Уменьшение продолжительности впрыска при неизменном угле опережения подачи топлива и при сохранении величины циклового расхода существенно снижает выделение сажи.
Следовательно, подбирая оптимальные характеристики топливной аппаратуры можно влиять на токсичность и дымность отработавших газов дизеля.
Большое влияние на образование токсичных веществ в цилиндре дизеля оказывает организация процессов смесеобразования и сгорания. При исследовании токсичности дизелей различных типов было установлено, что двухкамерные (предкамерные и вихрекамерные) дизели выделяют примерно на 50 % меньше окислов азота чем выбрасываемых однокамерные [34, 35].
Уменьшение выделения NOx в двухкамерных дизелях объясняется, в основном, двумя причинами: 1) расслоением топливовоздушной смеси, при впрыскивании топлива в предкамеру или вихревую камеру, объем которой не превышает 50 % общего объема камеры сгорания цилиндра двигателя; 2) уменьшением температуры рабочего тела в процессе сгорания из-за повышения теплоотдачи в стенки цилиндра, так как поверхность охлаждения в двухкамерных дизелях более развита, чем в однокамерных. Для тепловозных дизелей, которым продолжительное время приходится работать на холостом ходу и малых нагрузках (особенно при маневровой работе) целесообразен регулируемый перепуск части отработавших газов на всасывание - рециркуляции [7].
Исследование, проведенное В.Г. Булаевым на дизеле ЗА-6Д49, показало, что при перепуске до 8 % газов от общего их расхода через двигатель на всасывание в турбокомпрессор при работе дизеля на малых позициях контроллера машиниста снижает концентрацию окислов азота от 14 до 42 % в зависимости от нагрузки дизеля и количества перепускаемого газа. Суммарная удельная токсичность при этом снижается на 22...27 %. Уменьшение концентрации NOx возможно вследствие снижения максимальной температуры цикла, концентрации кислорода в свежем заряде и количества выбрасываемых в атмосферу отработавших газов, в результате не которого понижения коэффициента наполнения цилиндра двигателя. При больших нагрузках эффект от рециркуляции отработавших газов значительно меньше, кроме того, перепуск в систему наддува более 10 % отработавших газов увеличивает расход топлива, увеличивает выделение оксида углерода, приводит к увеличению дымности и количества продуктов неполного сгорания топлива в отработавших газах дизеля.
Одним из путей улучшения экологических характеристик дизелей является впрыск воды во впускной трубопровод или непосредственно в цилиндр двигателя [20]. Добавление воды к воздуху приводит к снижению температу ры рабочей смеси, температуры в конце сжатия, а, следовательно, и температуры рабочего тела в процессе сгорания.
Впрыск воды во впускной трубопровод оказывает более существенное влияние на концентрацию в отработавших газах NOx, чем добавление воды к топливу. Дымность отработавших газов и содержание в них оксида углерода (СО) как при впрыске воды в надувочный воздух, так и добавление ее к топливу уменьшается.
При работе на топливо-водяных эмульсиях удельный эффективный расход топлива дизелем несколько уменьшается, так при содержании в топливе 7...15% воды снижение расхода топлива не превышает 4 % [20].
Процесс смесеобразования и сгорания топлива в дизелях зависит от следующих факторов: плотности и фракционного состава топлива; типа углеводородов, входящих в топливо; склонности к самовоспламенению; содержания серы и т.д. Установление связи между составом топлива и содержанием отдельных токсичных компонентов представляет собой большие трудности, имеются лишь отдельные сведения, характеризующие такие связи [35-64].
Плотность топлива существенно влияет на характер топливоподачи в дизеле, так, при переходе с дизельного топлива на бензин, для сохранения мощности двигателя неизменной, продолжительность впрыска необходимо увеличить, при этом концентрация NOx в отработавших газах уменьшается, ухудшается процесс сгорания и увеличивается выброс сажи.
На выделение NOx некоторое влияние оказывает цетановое число топлива, при увеличении которого уменьшается период задержки воспламенения, что приводит к уменьшению максимального давления цикла, при этом замечено уменьшение количества светлого дыма при пуске холодного дизеля. При работе двигателя на полных нагрузках увеличение цетанового числа не приводит к уменьшению дымности, а в некоторых случаях даже повышает ее.
Разработка режимных карт ведения поезда и методики оценки топливной экономичности тепловозов на заданном участке
В зависимости от структуры состава, нагрузки на ось вагонов (груженный, порожний) рассчитывается величина основного удельного сопротивле ния движению поезда (со0) с использованием эмпирических выражений теории локомотивной тяги. При отрицательных значениях температуры наружного воздуха величина основного удельного сопротивления движению вагонов корректируется по таблице или по выражению: В общем случае тяговые свойства локомотива или сплотки локомотивов представляются элементами тяговой характеристики с учетом режимов работы электрического оборудования, мощности дизель-генераторной участки, количества серий ( j ) и количества секции ( nj ) каждой серии локомотива где Nejm - номинальная мощность дизельной установки m-ой секции j-й -серии тепловоза; 1 - КПД вспомогательного оборудования j-й - серии тепловоза; ANej - доля мощности на позиции контроллера машиниста j-й серии тепловоза от номинального значения; V - скорость движения тепловоза.
В этом случае характеристика ограничения по сцеплению определяется выражением где PC4j - сцепной вес секции j-й серии локомотива. Расчет тяговых характеристик тепловоза и характеристик ограничения по сцеплению для различных позиций контроллера машиниста выполняется по заданным значениям: эффективной мощности дизеля ( Ne = 1470 кВт ); сцепного веса секции тепловоза ( Рсц = 1165 кН ); коэффициента полезного действия вспомогательного оборудования ( п = 0,775 ); расчетной касатель 36 ной силы тяги секции ( Fk = 200 кН ) и удельного эффективного расхода топлива дизелем ( be = 0.238 кг/(кВт ч)). Время движения поезда по каждому спрямленному элементу (Z) участка обращения определяется из условия равновесия удельных сил, действующих на поезд в режиме тяги или выбега где Woz - суммарное сопротивление движению состава на выбранном элементе профиля пути; Vz,Vz.i - установленные скорости движения на Z-ом и Z - 1-ом элементах участка обращения. Величина суммарного сопротивления движению состава со скоростью V определяется с учетом основного удельного сопротивления движению локомотивов и вагонов поезда на выбранном участке профиля пути Величина касательной силы тяги локомотива (сплотки локомотивов) F , а следовательно и позиция контроллера машиниста (Пк) на выбранном элементе профиля пути определяются из условия движения поезда с постоянной скоростью а величины эффективной мощности Nejmkz и удельного расхода топлива дизелем bejmkZ на позиции контроллера машиниста определяются по табл. 2.1.
Время хода поезда, в составе которого rij секции j-ой серии локомотивов на k-й позиции контроллера машиниста в режиме тяги или в режиме выбега на выбранном элементе профиля пути с мощностью Nejmk и удельным расходом топлива bejmk определится, ч где S2, Vz — длина (км) и установленная скорость движения поезда (км/ч) на выбранном элементе профиля пути. Время работы ДГУ на k-й позиции контроллера машиниста и общее время работы тепловоза в движении определится, ч: Расход топлива за время tjmk m-й секцией j-й серии тепловоза на k-й позиции контроллера машиниста, кг и суммарный расход топлива m-й секцией j-й серии тепловоза, кг Время работы ДГУ тепловоза за поездку (ід) будет несомненно больше времени чистого хода tjm, так как часть его будет затрачена на разгон и торможение поезда, на переходные процессы, связанные с изменением позиции контроллера машиниста и обогрев основного и вспомогательного оборудования тепловоза во время стоянок, на обеспечение работы тормозной системы. "Вспомогательное" время работы tvjm m-й секции j-й серии локомотива за поездку определится
Моделирование параметров рабочего цикла с учетом условий эксплуатации
На первом шаге математического моделирования выполняется расчет параметров рабочего цикла дизеля по методу Гриневецкого-Мазинга в следующей последовательности. 1. Задается элементарный состав топлива (С, Н, О, S), на основании которого по формуле Д. И. Менделеева рассчитывается его теплотворная способность (Ни, кДж/кг) и теоретически необходимое количество воздуха для сгорания единицы топлива (Lo, кмоль/кг): 2. Для выбранного типа дизеля задаются: Dk — диаметр колеса компрессора турбокомпрессора, мм; ф5 — доля хода поршня, потерянного на продувку цилиндра; D — диаметр цилиндра, мм; S - ход поршня, мм; z — число цилиндров; т - тактность be — значения удельного расхода топлива; rv — коэффициент наполнения; уг— коэффициент остаточных газов; є — степень сжатия; X — степень повышения давления при сгорании и ряд других параметров для номинального режима. 3. Задаются значения эффективной мощности (Nej, кВт), удельного рас хода топлива (bej, кг/(кВт-ч)) и частоты вращения (пдь мин"1) для і-й позиции контроллера машиниста (табл. 3.1). 4. Используя выражения (3.67), определяется давление воздуха на входе в двигатель (Рк, МПа), по выражению (3.72) - величину коэффициента наполнения rv, а согласно (3.63) - коэффициент избытка воздуха otsum для выбранного расчетного режима. Для практического использования данные табл. 3.1 целесообразно представить в виде полиномов вида: дизель 14Д40 Индексы корреляции выражений (3.76), (3.77) находятся в пределах 0,82-1. 5. Температура воздуха Тк на входе в двигатель, К определится: где 7СК1,71к2 - степень повышения давления воздуха в компрессорах 1-й и 2-й ступеней; п 1, п2 — показатель политропы сжатия воздуха в 1 -й и 2-й ступени наддува, К; rjaki, rak2 - адиабатный КПД компрессоров 1-й и 2-й ступеней. 6. Значения параметров теплового процесса в конце наполнения (давление начала сжатия Ра, МПа; температура начала сжатия Та, К) определяются при следующих допущениях: а) масса воздуха (Gi) и «чистых» продуктов сгорания (G2) оценивается коэффициентом наполнения Гуи коэффициентом остаточных газов уг; б) количество тепла, подведенное к рабочему телу с топливом в процессе наполнения dQT/d(p, равно нулю; в) количества тепла, подведенного к рабочему телу за счет теплообмена со стенками цилиндра dQw/d(p, оценивается с использованием уравнения состояния газов по соотношению давлений и температур Ра, Та, Рк, Тк. г) по условию конца наполнения при закрытых впускных органах, мож но принять: Тогда, используя условие заторможенности потока, давление (Ра, МПа) и температура (Та, К) начала сжатия определяться с использованием выражения
Решение уравнения (3.80) относительно Ра и Та производится по следующему алгоритму: задаются начальные значения степени повышения давления при сгорании - X = 1; доли топлива, сгоревшего в точке Z - Xz = 0,42; давления начала сжатия - Ра = Р0; температуры воздуха на входе в двигатель -Тк =1000К. Изменяя Ра с шагом 0,0001 МПа и Тк с шагом 5 К, определяют значения Ра и Та, при которых величина коэффициента наполнения rv, вычисленная по выражению (3.72), будет равна величине коэффициента наполнения, вычисленного по выражению (3.80). При моделировании процесса наполнения предполагается, что коэффициент остаточных газов изменяется пропорционально изменению коэффициента наполнения, а температура Та связана с давлением Ра через уравнение состояния газов при известном объеме конца наполнения Va. 7. По заданным значениям Nej и пд; рассчитывается среднее эффективное давление для і-го режима работы, МПа: где т - тактность дизеля. 8. Используя значения Ра и Та рассчитывают давление Рс и температуру Тс в конце процесса сжатия при следующих условиях: а) массовый заряд цилиндра в начале и конце сжатия равны
Разработка методики для расчета количества продуктов сгорания топлива в тепловозном дизеле 14Д40
Расчет равновесного состава продуктов сгорания широко применяется в поршневых двигателях внутреннего сгорания [26, 75]. Наиболее полное обобщение опыта по применению метода равновесного состава для оценки экологического воздействия транспортных двигателей на окружающую среду представлено в работах [75, 76, 114]. Анализ результатов работ [75, 76] позволил наметить пути дальнейшего совершенствования метода расчета количества продуктов сгорания углеводородных топлив. Очевидно, что сокращение номенклатуры продуктов окисления (сгорания) топлива, в составе которого обычно присутствуют водород Н, углерод С, сера S2 и кислород Ог воздухом состава N2 и Ог до 18 элементов может привести к значительным погрешностям в их количественной оценке. Используя при расчете процесса сгорания какое-либо уравнение выгорания топлива, необходимо учитывать, что в начале процесса сгорания величина коэффициента избытка воздуха стремится к бесконечности (а — оо), a давление и температура сгорания в этот момент имеют минимальные значения (Р = min, Т = min). По мере развития процесса сгорания (увеличение доли сгоревшего топлива) коэффициент избытка воздуха уменьшается, а давление и температура увеличиваются, характер изменения названных параметров будет определяться законом выгорания топлива. Таким образом, количество продуктов сгорания топлива, выходящих из цилиндра двигателя, необходимо рассчитывать в зависимости от скорости выгорания топлива и от времени сгорания. Скорость химических реакций оценивается по концентрации исходных веществ или продуктов сгорания с использованием термодинамических методов, позволяющих определить равновесный состав продуктов сгорания для любых заданных условий (со става смеси, состава топлива, температуры и давления сгорания, коэффициента избытка воздуха) с учетом энергии диссоциации. В общем случае, согласно [111], в составе отработавших газов при сгорании топлива состава C + H+S + 0=1B двигателях внутреннего сгорания могут содержаться около 36 устойчивых элементов (табл. 4.1).
Для определения содержания в продуктах сгорания указанных в табл. 4.1 компонентов использованы четыре уравнения материального Баланса, составленные на основе неизменности отношения количества атомов отдельных элементов в ходе реакции [6]: где So, SN, Sc, SH - число атомов соответствующих элементов. Выразив число атомов соответствующих элементов через парциальные давления, получим: Значения парциальных давлений отдельных компонентов продуктов сгорания определяются по известной температуре сгорания с использованием констант равновесия реакций диссоциации газов. где X = Tz/10000 - температура сгорания топлива, К; КОІ, К/, K_2j, ..., К7І- коэффициенты для логарифмов констант равновесия і-х продуктов сгорания. Значения коэффициентов для логарифмов констант равновесия реакций диссоциации і-го продукта сгорания представлены в табл. 4.2 с точностью до второго знака после запятой (в программе коэффициенты представляются с точностью до четвертого знака). Количество продуктов сгорания топлива определяется в результате совместного решения уравнений (4.18) - (4.26), для чего приняты следующие обозначения: парциальное давление Ро2 обозначено через а2; Рн - через Ь2; у Рс - через d; PN - через f ; Ps - через s. Представленная математическая модель расчета продуктов сгорания может быть реализована несколькими путями. Первый путь - расчет количества продуктов сгорания по максимальным термодинамическим параметрам рабочего цикла. Исходными данными для расчета в этом случае являются: — элементарный состав топлива;
