Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ и постановка задач исследования 10
1.1 Образование токсичных веществ в дизелях 10
1.2 Способы уменьшения образования токсичных веществ в дизелях 17
1.3 Задачи исследования 26
1.4 Выводы по первой главе 27
ГЛАВА 2 Теоретический анализ рабочего цикла дизеля с впрыскиванием воды во впускной трубопровод 29
2.1 Математическая модель расчета показателей дизеля с впрыскиванием воды во впускной трубопровод 29
2.2 Расчет равновесного состава продуктов сгорания .32
2.3 Алгоритм расчета рабочего цикла дизеля с впрыскиванием воды во впускной трубопровод .37
2.4 Сравнительный анализ теоретических показателей дизеля с впрыскиванием воды во впускной трубопровод и дизеля без впрыска воды 43
2.5 Теоретические исследования по выбору варианта химических реакций и сочетанию химических элементов в этих реакциях 46
2.6 Выводы по второй главе 58
ГЛАВА 3 Методика и программа экспериментального исследования дизеля с впрыскиванием воды во впускной трубопровод .60
3.1 Цели и задачи экспериментального исследования .60
3.2 Экспериментальная установка 60
3.3 Оценка точности измерений параметров дизеля
3.3.1 Инструментальные погрешности измерения параметров дизеля .69
3.3.2 Относительные погрешности методов измерения параметров дизеля 70
3.4 Методика определения необходимого числа наблюдений .73 Стр.
3.5 Методика проведения эксперимента 74
3.6 Обработка результатов эксперимента
3.6.1 Определение коэффициента избытка воздуха .77
3.6.2 Определение эффективной мощности дизеля 77
3.6.3 Определение часового и удельного расходов топлива, часового расхода воздуха... 79
3.6.4 Определение выброса удельных токсичных компонентов с отработавшими газами дизеля 79
3.6.5 Определение показателей дизеля с системой впрыскивания воды во впускной трубопровод 80
ГЛАВА 4 Уточненная математическая модель равновесного состава продуктов сгорания дизеля с впрыскиванием воды во впускной трубопровод 81
4.1 Экспериментальные исследования дизеля без впрыска воды и дизеля с системой впрыскивания воды 81
4.2 Повышение адекватности математической модели по выбросам оксида углерода СО и диоксида углерода СО2 90
4.3 Выводы по четвертой главе 95
ГЛАВА 5 Эколого – экономический расчет дизеля с впрыскиванием воды во впускной трубопровод 96
5.1 Расчет платежей за загрязнение окружающей природной среды малыми дизельными электростанциями 96
5.2 Выводы по пятой главе 100
Основные результаты и выводы 101
Список литературы
- Способы уменьшения образования токсичных веществ в дизелях
- Теоретические исследования по выбору варианта химических реакций и сочетанию химических элементов в этих реакциях
- Оценка точности измерений параметров дизеля
- Повышение адекватности математической модели по выбросам оксида углерода СО и диоксида углерода СО2
Введение к работе
Актуальность темы. Современные дизели с непосредственным впрыском топлива являются, как правило, весьма проблемными с экологической точки зрения. Для выполнения экологических стандартов они оснащаются дорогостоящими аккумуляторными системами топливопитания с непосредственным впрыском топлива, системами рециркуляции отработавших газов (ОГ) и впрыска раствора мочевины, каталитическими нейтрализаторами ОГ, противосажевым фильтром. В результате усложняется конструкция дизелей, что приводит к их удорожанию, повышению стоимости обслуживания и ремонта. Поэтому необходимы работы направленные на более углубленное изучение рабочих процессов, которые могли бы без существенного удорожания дизеля удовлетворять экологическим стандартам. Одним из таких методов является впрыск воды во впускной трубопровод.
Применение выше названных систем на дизелях с непосредственным впрыском топлива позволило снизить содержание оксидов азота с 8,0 г/(кВтч) - уровень Евро-1 и до 3,5 г/(кВтч) - уровень Евро-4. Оксиды азота NOx считаются наиболее токсичными среди нормируемых веществ. При этом многочисленные исследования по впрыску воды, проведенные на таких дизелях, показали как минимум двукратное снижение оксидов азота в ОГ.
На дизелях с разделенными камерами сгорания по содержанию NOx ситуация гораздо лучше. Так без впрыска воды оценочное содержание оксидов азота в вих-рекамерном дизеле составляет 5,0 г/(кВтч). Организация рабочего процесса в вихрекамерном дизеле с точки зрения выброса вредных веществ предпочтительнее, чем в дизеле с неразделенной камерой сгорания. Однако, исследования влияния впрыска воды во впускной трубопровод вихрекамерного дизеля на его показатели проведены недостаточно глубоко. В связи с этим представляет одновременный интерес возможный уровень снижения NOx и изменение концентрации других вредных веществ в исследуемом дизеле без внедрения дорогостоящих систем.
Цели и задачи. Целью настоящей работы является исследование эффективности впрыска воды во впускной трубопровод вихрекамерного дизеля на содержание в ОГ оксидов азота NOx, оксида углерода СО, диоксида углерода СОг.
Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
уточнить теоретические основы расчета выброса вредных веществ с ОГ вихрекамерного дизеля и рабочего цикла дизеля с впрыскиванием воды во впускной трубопровод;
провести экспериментальные исследования параметров впрыска воды на экологические показатели дизеля.
Научная новизна:
уточнена константа равновесия химической реакции окисления оксида углерода для расчета равновесного состава продуктов сгорания вихрекамерного дизеля с впрыскиванием воды во впускной трубопровод;
усовершенствован метод расчета равновесного состава продуктов сгорания вихрекамерного дизеля с впрыском воды во впускной трубопровод при пони-
женных температурах цикла с уточнением количества химических реакций и сочетания в них химических элементов.
Объект исследования. Дизель 1Ч 8,5/11 с конструктивными элементами, обеспечивающими применение впрыскивания воды во впускной трубопровод.
Методы исследования. Теоретическое определение экологических, термодинамических, индикаторных и эффективных показателей рабочего цикла дизеля, выполнено методами математического моделирования и параметрических исследований термодинамических и термохимических процессов, а также инженерных расчетов с применением вычислительных машин. Экспериментальные результаты получены на основе натурных испытаний дизеля, оборудованного системой впрыска воды во впускной трубопровод. В работе применен статистический анализ результатов экспериментальных измерений.
Достоверность результатов. Обусловлена применением хорошо отработанных математических методов для расчетных исследований и обработки экспериментальной информации и подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов расчетных и экспериментальных исследований. Экспериментальные исследования проведены на одноцилиндровом дизеле.
Научная значимость работы. Заключается в определении условий обеспечения адекватности разработанного метода расчета рабочего цикла дизеля, учитывающей выброс вредных веществ, а также в определении константы равновесия химической реакции окисления оксида углерода для теоретических исследований дизеля с впрыскиванием воды во впускной трубопровод.
Практическая значимость работы. Заключается в уменьшении выбросов оксидов азота и оксида углерода, в возможности подбора оптимального количества впрыскиваемой воды с учетом наименьших выбросов NOx и СО, снижении максимальной температуры рабочего цикла дизеля. Применение вихрекамерных дизелей с впрыском воды во впускной трубопровод в малой энергетике позволит снизить экологический ущерб и суммарные платежи за загрязнение окружающей среды дизельными электростанциями.
На защиту выносятся следующие положения:
Уточненная математическая модель расчетного и экспериментального определения термодинамических параметров рабочего тела при впрыскивании воды во впускной трубопровод дизеля.
Результаты теоретических расчетов NOх, CO и СО2 при подаче воды.
Результаты экспериментальных исследований параметров впрыска воды на экологические показатели дизеля.
Апробация. Результаты работы и е отдельные положения были обсуждены:
на кафедре автомобилей, автомобильных двигателей и дизайна Набережночел-нинского института (филиала) ФГАОУ ВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет», (Набережные Челны, 2015 г.);
на международной конференции «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-07», в Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева, (Казань, 2007 г.);
на международной конференции «Современные технологии сборки», в Московском государственном техническом университете «МАМИ», (Москва, 2008
г.);
на международной конференции «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров» в Московском государственном техническом университете «МАМИ», (Москва, 2012 г.);
на всероссийской молодежной научно-практической конференции с международным участием «Инженерная мысль машиностроения будущего» в Уральском федеральном университете им Б.Н. Ельцина, (Екатеринбург, 2012 г.); на международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы развития науки» в Башкирском государственном университете, (Уфа, 2014 г.); на международной научно-практической конференции «Актуальные научные достижения», (Прага, 2014 г.).
Реализация результатов работы. Результаты работы используются: в Научно-техническом центре ПАО «КАМАЗ»;
в учебном процессе кафедры автомобилей, автомобильных двигателей и дизайна Набережночелнинского института (филиала) ФГАОУ ВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет». Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 14 статьях, в том числе 3 статьи опубликованы в рецензируемых журналах и изданиях, включенных в Перечень ВАК РФ для публикаций по диссертациям на соискание ученой степени кандидата наук.
Личный вклад автора. Лично автором диссертации:
уточнена математическая модель расчетного и экспериментального определения термодинамических параметров рабочего тела при впрыскивании воды во впускной трубопровод дизеля;
проведены расчеты показателей работы дизеля без учета внесенных изменений в математическую модель и с учетом уточненной константы равновесия химической реакции окисления оксида углерода;
собрана экспериментальная установка для натурных исследований экологических показателей дизеля;
выполнены экспериментальные исследования экологических показателей дизеля.
Состав и объм работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 113 страницах машинописного текста, содержит 47 рисунков, список литературы из 136 наименований. Приложение представлено на 26 страницах.
Способы уменьшения образования токсичных веществ в дизелях
Способы снижения токсичных веществ в ОГ дизелей достаточно широко представлены в литературе [18, 39, 49, 57, 73, 75, 108, 114, 115]. Сводятся они к воздействию на рабочий процесс и на отработавшие газы. На рабочий процесс двигателя воздействуют при помощи различных регулировочных параметров (температура и давление воздушного заряда, величина сопротивления системы впуска и выпуска, цикловая подача топлива, угол опережения впрыскивания топлива и др.). Для улучшения и ускорения процессов смесеобразования и сго рания применяется многофазный непосредственный впрыск топлива в неразде ленную камеру сгорания с максимальным давлением впрыска топлива 200–250 МПа. Снижение эмиссии оксидов азота достигается рециркуляцией ОГ. С появ лением микропроцессорных систем управления двигателей, оптимальные, с точки зрения экологии, регулировочные параметры выбирает электроника. По этому для каждого двигателя есть минимально возможные выбросы токсичных компонентов с отработавшими газами, ниже которых других значений количе ства вредных веществ быть не может. Воздействие на отработавшие газы под разумевает использование нейтрализаторов и противосажевых фильтров, впрыскивание раствора мочевины в выпускной коллектор [52]. Нейтрализаторы имеют ряд недостатков, а именно: им необходимо определенное время (несколько минут) для прогрева до рабочей температуры, незначительный срок службы, выходят из строя при наличии в топливе серы. Недостаток противоса-жевых фильтров в том, что они забиваются сажей и создают противодавление выпуску отработавших газов, а также имеют высокую стоимость [71, 88].
Также для снижения выброса токсичных веществ в ОГ применяются альтернативные виды топлив (пропано-бутано-воздушные смеси, диметиловый эфир, метанол) [6, 42, 84].
В результате переход к более высоким экологическим стандартам приводит к усложнению систем двигателя и его удорожанию.
Различные авторы периодически проявляют интерес к использованию присадки воды к основному рабочему телу, что вызывается все возрастающими требованиями к совершенствованию ДВС. Подача воды в цилиндры двигателей известна еще со времен создания и применения первых ДВС. Первоначально вода использовалась в бензиновых двигателях для повышения детонационной стойкости смеси и снижения теплонапряженности деталей. В больших количествах (в 2-3 раза превышающих подачу топлива) вода применялась с целью организации внутреннего охлаждения авиационных поршневых двигателей с воздушным охлаждением (как с принудительным зажиганием, так и дизельных) при работе на больших высотах в разреженном воздухе. Также известно, что впрыскивание воды используется в транспортных газотурбинных двигателях с регенерацией тепла, где ввод воды осуществляется в сечение за компрессором. Это приводит к увеличению удельной мощности и к снижению удельного расхода топлива двигателя [123].
С 70-х годов ХХ века впрыск воды в ДВС начали рассматривать как один из способов для снижения токсичности [76, 77, 91]. Наибольшее практическое применение нашли (Рисунок 1.5): - подача водо-топливной эмульсии (ВТЭ) с помощью стандартной топливной аппаратуры или дополнительной форсункой; - впрыск воды в жидком виде или в виде пара непосредственно в цилиндр дизеля с помощью дополнительной форсунки, либо распыливающего устройства; - подача воды в жидком виде или в виде пара во впускной трубопровод [67, 74, 83]. Стандартной форсункой Дополнительной форсункой Распыливающим устройством
Применение ВТЭ осуществляется двумя способами: 1) использование заранее приготовленной эмульсии; 2) эмульгирование топлива непосредственно на автомобиле (Рисунок 1.6). В первом случае возникает проблема стабильности, опасности замерзания, возможности коррозионного износа элементов топливной аппаратуры; во втором – усложнение топливоподающей аппаратуры. Применение ВТЭ приводит к снижению концентрации сажи в ОГ до 50% на номинальном режиме. Объясняется это тем, что улучшается процесс смесеобразования вследствие микровзрывов, так как капли смесевого топлива состоят из частиц топлива, внутри которых содержится вода. а) 1 – водотопливная эмульсия; б) 1 – топливо; 2 – вода; 3 – смесительная
При нагреве этих частиц, содержащаяся в них вода переходит в пар, и эмульгированные частицы топлива взрываются, образуя другие мелкодисперсные частицы, которые подвергают окружающие их частицы дополнительному дроблению. При этом происходит интенсивное поступление воздуха в распыл эмульсии и увеличение локальной избыточности воздуха в факеле распыленного топлива, в результате чего происходит более качественное перемешивание топлива с воздухом. На режимах пониженных частот вращения коленчатого вала снижение концентрации сажи составляет 35%, при этом отмечается повышение выброса оксидов азота. Часто работа на ВТЭ сопровождается повышением концентрации СО и СmHn, увеличением жесткости и шумности работы дизелей с неразделенными камерами сгорания, неустойчивой работой на переходных режимах. Кроме того, приходится увеличивать производительность топливной аппаратуры для сохранения исходной мощности двигателя [17].
Впрыск воды непосредственно в цилиндр дизеля осуществляется с помощью форсунки и насоса высокого давления (Рисунок 1.7). Оптимизация фаз подачи воды и топлива, а также отношение расхода воды к расходу топлива (по массе) в пределах Gвод/Gт=0,25 - 0,3 приводит к сохранению мощности и крутящего момента дизеля на прежнем уровне при снижении выбросов оксидов азота. Однако, очевидна конструктивная сложность метода и его недостаток – резкое ухудшение экологических и экономических характеристик при нарушении фаз подачи компонентов и соотношения вода – топливо [124].
Теоретические исследования по выбору варианта химических реакций и сочетанию химических элементов в этих реакциях
Для проведения экспериментальных исследований был разработан и собран моторный стенд [64, 68, 90, 95, 96, 98, 100, 112, 113]. На Рисунке 3.1 представлена схема стенда. Общий вид стенда показан на Рисунке 3.2. Объектом испытаний являлся дизель РДЗ 1Ч8,5/11. Его паспортные технические данные [25] приведены в Приложении П.1.
Дизель закреплен на швеллерах 23. Выбор номера швеллеров осуществлялся по их прочностному расчету [104]. Для снижения вибраций дизель установлен на резиновых подушках 20. Пуск дизеля и создание для него нагрузки осуществляется генератором постоянного тока, выполненным в виде балансир-ной машины 3. Для этого, вместо штатных торцевых крышек генератора, были выточены и установлены специальные фланцы [102]. На фланцы надеты подшипники 0-209 с посадкой k6. В отверстия стоек 21 эти подшипники вставлены с посадкой K7. Посадка подшипников выбрана исходя из условий их эксплуатации [92]. Стойки 21 закреплены на швеллерах 22. Таким образом, статор генератора может поворачиваться относительно оси вращения якоря. Вал якоря генератора соединен с коленчатым валом двигателя при помощи кулачково-дисковой муфты 19, допускающей большую, по сравнению с другими муфтами, несоосность валов [105]. Выбор машины постоянного тока, обусловлен ее обратимостью и широким диапазоном эксплуатационных характеристик.
При запуске дизеля, электропитание генератора в режиме стартера осуществляется постоянным током от выпрямителя 1, подключенного в лабораторную электросеть через рубильник 3, и автотрансформатор 2, где напряжение можно регулировать в пределах от 5 до 220 В (Рисунок 3.3).
Электрическая схема управления стендом: 1 – рубильник; 2 – автотрансформатор; 3 – диодный мост (выпрямитель); 4 – генератор; 5 – амперметр; 6 – пакетный переключатель; 7 – амперметр; 8 – лампы накаливания; 9 – выключатели; 10 – вольтметр. В данном режиме регулирование необходимо для плавной раскрутки двигателя и обеспечения пусковых токов. После запуска дизеля генератор переводится в тормозной режим переключателем 6. Возбуждение генератора независимое, осуществляется через шунтовую обмотку из электросети. Ток возбуждения измеряется по амперметру 5. В тормозном режиме в обмотке якоря возникает электродвижущая сила, которая вызывает ток в цепи якоря. Ток своим магнитным полем противодействует вращению якоря, а, следовательно, и вращению вала дизеля. Электрический эффективный момент противодействия вращению якоря передается на статор в виде реактивного момента, действующего в сторону, противоположную направлению вращения якоря. Момент Мp, удерживающий статор от поворота, создается силой P противодействия измерительного весового устройства 1 на плече L (Рисунок 3.4). Потери на трение в подшипниках учитываются моментом трения Мтр.
Крутящий момент дизеля Мд определится как сумма этих моментов Мд = Мp + Мтр. Изменение нагрузки в режиме торможения обеспечивается воздействием на цепь параллельного возбуждения (Ш1-Ш2) статора, регулированием напряжения в автотрансформаторе, либо за счет изменения сопротивления электрической цепи якоря. Последнее осуществляется изменением силы тока в цепи якоря последовательным включением (выключением) ламп накаливания 8 выключателями 9. При этом напряжение определяется по показанию вольтметра 10, а сила тока – по показанию амперметра 7 (Рисунок 3.3).
Для определения мощности, развиваемой двигателем, кроме крутящего момента необходимо знать частоту вращения коленчатого вала. Частота вращения коленчатого вала измеряется с помощью электронного счетчика оборотов ЦАТ-3М. На носке коленчатого вала установлен непрозрачный диск 18 с прорезями, количество оборотов которого считывает индуктивный датчик 9 (Рисунок 3.1).
Расходы топлива и воздуха, потребляемые дизелем, определяются интегрально. Обусловлено это тем, что при подаче воды изменение количества токсичных веществ в отработавших газах происходит не мгновенно, а за определенный промежуток времени. Поэтому рассчитываются осредненные значения этих показателей. Измерение расхода топлива проводится весовым методом. Топливо из емкости 13 в топливный насос высокого давления 7 подается самотеком. Расход воздуха определяется роторными счетчиками газа 14.
Для регистрации относительной влажности, давления и температуры атмосферного воздуха используются барометр и термометр.
Для впрыскивания воды в цилиндр используется резервуар 5 с распылителем 6 (Рисунок 3.6). Распылитель 6 устанавливается во впускной коллектор 15 (Рисунок 3.7 и Рисунок 3.8). При работе дизеля на расчетном режиме, подача воды происходит сплошным потоком, через распылитель 6. Поскольку, разрежение, создаваемое во впускном трубопроводе, недостаточно для забора воды из резервуара, то вода находится в резервуаре под избыточным давлением. Это давление создается при помощи компрессора 2. Регулирование количества подаваемой воды осуществляется изменением избыточного давления от 0,01 МПа до 0,05 МПа, измерение – мензуркой, на сравнении залитой в резервуар 5 воды до начала эксперимента и слитой после. Измерение температуры отработавших газов дизеля проводилось цифровым мультитестером ДТ-838 с термопарой. Термопара установлена в выпускной трубе 16, рядом с выпускным клапаном. На пульт управления выведены следующие приборы: амперметры, вольтметр, электронный счетчик (Рисунок 3.9). Там же установлены лампы накаливания.
Оценка точности измерений параметров дизеля
Определение относительных погрешностей методов проведено по методике изложенной в литературе [64].
Относительная погрешность метода при измерении расхода топлива. Расход топлива определяется весовым методом. Для этого используется гиря массой 50 г и секундомер. Паспортная абсолютная погрешность гири составляет ±30 мг. Относительную погрешность найдем по формуле: Sm=±- —100%, (3.1) max где Sm - относительная погрешность; А - абсолютная погрешность, А = 30 мг; Аmax - наибольшее возможное значение величины при данном измерении, Аmax = 50 г . 8т = + 30 10—100% = +0,06% 50 Паспортная относительная погрешность секундомера равна дТ = ± 0,5%. Тогда относительную погрешность метода определим как 8GT = ±y[s[+s2 = ±0,5% (3.2)
Относительная погрешность метода при измерении расхода воздуха проходящего через дизель. Расход определяется роторными газовыми счетчиками за время расходования топлива. Паспортная относительная погрешность счетчиков составляет двозд = ±3%. Паспортная относительная погрешность секундомера равна дт = ± 0,5%. Относительная погрешность метода
Относительная погрешность метода при измерении расхода воды. Относительная погрешность мензурки Зменз = ±0,46%. Паспортная относительная погрешность секундомера равна Зт = ± 0,5%. Относительная погрешность метода
Относительная погрешность метода измерения мощности дизеля при использовании рычага (плеча). Относительная погрешность весового устройства =±- 100%, (3.5) max где дду - относительная погрешность; А - абсолютная погрешность, А = 10 г; Аmax - наибольшее возможное значение величины при данном измерении, Аmax = 3 кг. дт=±10 10 100% = ±0,33%
Относительная погрешность счетчика оборотов коленчатого вала дизеля ,=±- 100% (3.6) max где 3„ - относительная погрешность; А - абсолютная погрешность, А = 10 мин-1; Аmax - наибольшее возможное значение величины при данном измерении, Аmax = 1500 мин 1.
Относительная погрешность рычага (3.7) где Si - относительная погрешность; А - абсолютная погрешность, А = 0,5 мм; Аmax - наибольшее возможное значение величины при данном измерении,
Из расчетов следует, что самая большая погрешность метода наблюдается при определении расхода воздуха и коэффициента избытка воздуха. 3.4 Методика определения необходимого числа наблюдений
В подавляющем большинстве реальных экспериментов наблюдения имеют распределение, близкое к нормальному, поэтому при обработке результатов наблюдений первая гипотеза - это нормальное распределение результатов наблюдений. Для получения достоверных данных об измеряемых объектах проводим несколько замеров. Затем полученные экспериментальные данные обрабатываем, воспользовавшись аппаратом математической статистики, и устанавливаем требуемое количество опытов, которое гарантирует получение достоверных сведений об измеряемых величинах [19].
Для определения требуемого числа наблюдений определяем следующие статистические показатели:
Принимая во внимание тот факт, что измеряемые физические величины фиксируются визуально, принимаем уровень достоверности р = 0,95. Распределение Стьюдента t для данного уровня достоверности определим по таблице с учетом числа предварительных измерений для каждой измеряемой физической величины }т.
Истинный результат измерений V с вероятностью р = 0,95 будет находиться в пределах: Ує(у-і-сг;у + і-сг) Для определения требуемого количества измерений статистической обработке будем подвергать любые измеряемые в процессе подготовки и проведения опытов величины. Результаты измерений и результаты статистической обработки отражены в Таблицах П.15 - П.22 Приложения.
Эксперименты проводились на дизеле без системы впрыска воды и на этом же дизеле, оборудованным системой впрыска воды во впускной трубопровод. Длительность проведения каждого эксперимента и наблюдение за показаниями всех приборов, задавались временем расходования топлива.
Экспериментальные исследования для дизеля без впрыска воды проводились в следующем порядке: 1) включить в электрическую сеть автотрансформатор, газоанализатор, электронный счетчик оборотов; 2) залить топливо в емкость, установленную на чашке весов, таким образом, чтобы оно перевешивало гири на другой чашке весов; 3) пакетный переключатель перевести в положение раскрутки дизеля; 4) увеличивая напряжение в автотрансформаторе плавно раскрутить коленчатый вал дизеля; 5) выключить декомпрессор дизеля, включить подачу топлива; 6) прогреть дизель до рабочей температуры охлаждающей жидкости ( 800С), контролируя при этом давление масла; 7) пакетный переключатель перевести в положение нагрузки на дизель; 8) регулируя ток в автотрансформаторе создать возбуждение на статоре, ток возбуждения замерить по амперметру 5; 9) включить лампы накаливания; 10) вывести дизель на необходимую в эксперименте частоту вращения коленчатого вала; 11) после уравновешивания весов с топливом, снять гирьку с чашки весов и включить секундомер; 12) одновременно со снятием гирьки начинают записываться показания: газовых счетчиков, газоанализатора; амперметра; вольтметра; весового устройства; мультитестера с термопарой;
Повышение адекватности математической модели по выбросам оксида углерода СО и диоксида углерода СО2
Эксперименты проведены на номинальном режиме при частоте вращения коленчатого вала n = 1500 мин-1 с нагрузкой pe = 0,33 МПа (50% от номинального значения pe) и на частичном режиме при частоте вращения коленчатого вала n=900 мин-1 с нагрузкой pe = 0,4 МПа (80% от номинального значения pe).
Анализ зависимостей эффективных показателей дизеля с впрыском воды во впускной трубопровод выявил на режиме n = 1500 мин-1 снижение крутящего момента и мощности на 5 % по сравнению с дизелем без впрыска воды (Рисунок 4.1). Удельный эффективный расход топлива ge при подачах воды в диапазоне 0,5 w1 увеличивается на 2 %, а в диапазоне 1 w2 на 15,6 %. Это подтверждает теоретические выводы, о том, что вода увеличивает теплоемкость рабочего тела и приводит к ухудшению мощностных и экономических показателей.
На режиме n = 900 мин-1 в диапазоне 0,5 w 1,3 крутящий момент и мощность снижаются на 5%. Удельный эффективный расход топлива с ростом значений подач воды в пределах от w=0,5 до w 1 увеличивается на 6 %. В диапазоне 1,5 w2 значения Me и Ne такие же как и у стандартного дизеля. Отсутствие ухудшения Me и Ne объясняется тем, что при больших подачах воды для поддержания процесса сгорания требовалось повышение цикловой подачи топлива. Это подтверждает рост ge на 6,3 – 16 % при увеличении подач воды от w=1 до w=2
Анализ зависимостей содержания оксида азота в ОГ показал, что с увеличением впрыска воды, происходит трех- четырехкратное снижение концентрации NO, в зависимости от режима (Рисунок 4.2). Время реакции образования оксида азота г обычно не превышает 8…10 мс, после чего количество NO фиксируется на достигнутом в ходе реакции уровне и дальше уже не изменяется. Сравнительный анализ полученных теоретических и экспериментальных дан 83 ных выявил, что длительность реакции на режиме n = 1500 мин-1 составляет – 4,5 мс, на режиме n = 900 мин-1 – 6 мс. Полученные опытные данные удовлетворительно согласуются с теоретическими расчетами.
Анализируя экспериментальные данные по содержанию оксида углерода в ОГ можно отметить снижение СО на обоих режимах в диапазоне 0,5 w l (Рисунок 4.3 и Рисунок 4.4). Здесь проявляется химический эффект активных ра дикалов OH и H способствующих активному окислению топлива. Увеличение w1 приводит к росту количества СО на обоих режимах вследствие большого содержания в свежем заряде воды, которая с этого момента начинает ухудшать процесс сгорания.
Также отмечено, что результаты теоретических расчетов превышают экспериментальные данные. Расхождение результатов математической модели и опытов по содержанию СО в ОГ может находиться во взаимосвязи с содержанием СО2 в ОГ. Поэтому были рассмотрены данные полученные по диоксиду углерода.
Теоретическая зависимость содержания диоксида углерода СО2 в ОГ к окончанию процесса расширения снижается (Рисунок 4.5 и Рисунок 4.6). По мере роста w кривые СО2 возрастают. Эксперимент на номинальном режиме показал увеличение количества СО2 в ОГ по мере роста w. На частичном режиме, наоборот, при увеличении впрыска воды отмечено снижение СО2. То есть можно отметить, что на частотах вращения коленчатого вала меньше номинальных происходит более полное сгорание смеси при впрыске воды. Сравнивая теоретические и экспериментальные данные, можно заметить, что теоретическое содержание СО2 оказывается меньше экспериментального. Очевидно в математической модели заниженные значения по СО2 компенсируются завышенными значениями по СО.
Анализ зависимостей содержания оксида и диоксида углерода в ОГ дизеля выявил неадекватность математической модели по этим компонентам. Удельные выбросы окислов азота (Рисунок 4.7) снижаются на 37,9 - 74,5% по мере увеличения относительной массы впрыскиваемой воды w. Удельные выбросы оксида углерода на режиме n = 1500 мин-1 (Рисунок 4.8), по мере увеличения подачи воды до значений w = 1 снижаются до 18% . На режиме n = 900 мин-1 до подач w = 1,3 содержание СО не изменяется. Свыше значений w=1,3 наблюдается рост выделения СО до 12,6 – 30,3% на обоих режимах.