Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I Методы повышения экономичности и экологичности дизелей тепловозов 27
1.1 Уточнение размеров санитарно-защитных зон предприятий, эксплуатирующих маневровые и магистральные тепловозы .. 29
1.2 Исследования, направленные на повышение экономичности и экологичности дизелей тепловозов 36
1.2.1. Совершенствование рабочего процесса двигателя 39
1.2.2. Применение новых перспективных конструкций и схем работы ДВС 42
1.2.3. Регулирование углов опережения впрыска топлива 47
1.2.4. Использование новых или модернизованных топливных систем 49
1.2.5. Использование альтернативных и комбинированных видов топлив 50
1.2.6. Применение рециркуляции отработавших газов 53
1.2.7. Охлаждение свежего заряда и дросселирование на впуске дизеля 55
1.2.8. Системы нейтрализации и очистки отработавших газов дизелей тепловозов 55
1.3. О выборе критерия для выдачи разрешения на эксплуатацию тепловозов 70
1.3.1. Экологический контроль дизелей тепловозов 74
1.3.2. Методика безразборной диагностики и регулировки ПОР
1.4 Роль углубленного моделирования внутри цилиндровых процессов дизелей локомотивов 79
1.4.1. Особенности различных подходов к моделированию рабочего процесса тепловозного ДВС 81
1.4.2. Идентификация моделей рабочего процесса тепловозных дизелей и моделей образования вредных веществ 83
ГЛАВА II Обзор существующих методов моделирования рабочего процесса и токсичности ДВС 86
2.1. История развития различных методов расчета рабочих процессов в тепловых двигателях 88
2.2. Описание моделей рабочих процессов в цилиндре ДВС... 94
2.2.1. Газодинамические модели в цилиндре 94
2.2.2. Модели теплообмена в двигателе 106
2.2.3. Модели процесса сгорания в двигателях ПО
2.3. Модели образования вредных веществ в ДВС 119
2.3.1. Основные положения физической модели
образования окислов азота в цилиндре дизеля 119
2.3.2. Математическая модель образования термических
окислов азота в цилиндре дизеля по А.С. Лоскутову 122
2.3.3. Методы расчета концентраций оксидов азота в поршневых
ДВС на основе одно- и многозонных моделей 125
2.3.4. Модели сгорания топлива и образования вредных
веществ Н.Ф. Разлейцева 127
2.3.5. Многозонная модель образования NOx МГТУ им. Баумана... 128
2.3.6. Математическая модель расчета продуктов сгорания топлива в тепловозных дизелях Е.И. Сковородникова 130
2.3.7. Физико-химическая модель процесса результирующего сажевыделения по P.M. Петриченко 131
2.4. Программные продукты, моделирующие рабочий процесс и токсичность ДВС 133
ГЛАВА III Углубленные математические модели процесса сгорания и токсичности ДВС ... 138
3.1. Математическая модель химической кинетики: общие положения 139
3.2. Математическая модель турбулентности 142
3.3. Математическая модель испарения топливных капель 143
3.4. Некоторые частные математические модели рабочих процессов 144
3.5. Элементарные химические процессы в поршневых ДВС (кинетическое описание) 146
3.5.1. Требования к кинетической схеме химических превращений 146
3.5.2. Принципы отбора кинетических данных 147
3.5.3. Получение недостающей кинетической информации 148
3.5.4. Образование окислов азота при горении моторных
топлив (кинетическая схема и константы реакций) 149
3.5.5. Химические реакции, определяющие кинетику горения в дизеле 150
3.5.6. Специфика химизма горения в дизелях 153
3.6. Полуэмпирическая квазигазодинамическая модель 158
3.7. Статическая термодинамическая и термохимическая модели 164
3.8. Модель закаливания оксидов азота в камере сгорания 173
3.8.1. Кинетика образования оксида азота по Я.Б.Зельдовичу,
модифицированная для учета гибели N0 173
3.8.2. Алгоритм идентификации брутто-модели токсичности ДВС
по окислам азота 176
3.8.3. Получение зависимостей динамики изменения выбросов N0 от угла поворота коленчатого вала тепловозного дизеля
ГЛАВА IV Компьютерное моделирование рабочего процесса и токсичности ДВС 187
4.1. Практическая ценность и результаты апробации каркасной модели 189
4.2. Иерархия и свойства компьютерных моделей горения в поршневых ДВС 190
4.2.1. Базовые уравнения для частных моделей рабочего процесса в ДВС 192
4.2.2. Модель рабочего процесса для поршневых двигателей с внешним или очень быстрым смесеобразованием 195
4.2.3. Модель горения, сдерживаемого процессом смесеобразования 200
4.2.4. Модель термохимии 205
4.2.5. Моделирование энергетических показателей ДВС 209
4.2.6. Моделирование экологических показателей 211
4.3. Программная реализация моделей рабочего процесса 214
4.3.1 Программная реализация матстатистических моделей токсичности 225
ГЛАВА V Практические результаты компьютерного моделирования и их сравнение с данными физических экспериментов, экономический эффект от регулирования уов топлива 226
5.1. Тестирование и апробация автоматизированной системы ENGINE 226
5.1.1. Проверка адекватности моделей по техническим параметрам ДВС 226
показателям работы ДВС 238
5.1.3. Анализ результатов расчета, полученных по различным ПП и сравнение их с экспериментальными данными
и нормативами на выбросы 250
5.2. Результаты компьютерных экспериментов 253
5.2.1. Оптимизация угла опережения впрыска топлива дизеля 253
5.2.2. Оптимизация рабочего процесса ДВС на альтернативных
и комбинированных топливах 264
5.2.3. Исследование эффективности работы дизелей тепловозов при частичных нагрузках (по тепловозной характеристике) 275
5.2.4. Перспективность применения аккумуляторных топливных систем для тепловозов 287
5.2.5. Исследование эффективности рециркуляции отработавших газов ДВС тепловозов 293
5.2.6. Перспективы использования разработанных программных продуктов для диагностики и в исследовательских целях... 297
5.2.7. Экономический эффект от внедрения способа регулирования УОВ топлива по технико-экологическим показателям 300
Выводы 309
Литература
- Уточнение размеров санитарно-защитных зон предприятий, эксплуатирующих маневровые и магистральные тепловозы
- Системы нейтрализации и очистки отработавших газов дизелей тепловозов
- История развития различных методов расчета рабочих процессов в тепловых двигателях
- Математическая модель химической кинетики: общие положения
Введение к работе
Актуальность темы. В основных направлениях охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов в России на период до 2010 года в разделе научных исследований отмечено, что необходимо предусмотреть использование экологически безопасных видов топлива (альтернативных нефтяным), а также создать высокоэффективные системы для предотвращения выбросов вредных веществ с отработавшими газами (ОГ) двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Программа ОАО РЖД "Создания и освоения производства новых локомотивов в 2004-2010 г.г." также предусматривает ужесточение технических требований к тепловозам, в части соблюдения действующих стандартов по экологии. Естественно, что решение столь серьезных задач невозможно без использования современных способов и средств математического моделирования внутрицилиндровых процессов ДВС. Среди его разновидностей особо широкое распространение получило имитационное математическое моделирование (ИММ), которое в значительной степени сопряжено с использованием ЭВМ.
Работа посвящена разработке современных методов математического моделирования применительно к исследованию внутрицилиндровых процессов в ДВС. Представленные имитационные математические и компьютерные модели (ИММ) процесса горения в двигателях, в том числе химической кинетики, термохимии и квазигазодинамики направлены на решение задач оптимизации энерго-экологических показателей работы тепловозных двигателей. Подробно описаны методики расчета и их программная реализация, адаптированная под конкретные инженерно-исследовательские цели.
Актуальность разработанных моделей подтверждается необходимостью сократить сроки проектирования и стоимость разработки новых конструкций ДВС, а также возможностью решать сложные оптимизационные задачи при конструировании перспективных двигателей и модернизации существующих.
моделей и разработанных компьютерных программ для целей технической диагностики тепловозных дизелей на реостатных станциях и пунктах экологического контроля (ПЭК) дизельной техники железнодорожного транспорта. Работа выполнялась при финансовой поддержке Минобразования России по гранту "Российские университеты" в 2001-2002 гг. по теме: "Разработка теоретико-методических основ повышения экологических и экономических характеристик наземного транспорта с целью снижения воздействия вредных выбросов в атмосферу современного мегаполиса".
Научная новизна. Разработаны углубленные математические модели расчета рабочего процесса ДВС (химической кинетики и термохимическая), позволяющие производить комплексный анализ энерго-экологических показателей транспортных двигателей; создан компьютерный продукт, позволяющий осуществлять расчеты во всех эксплуатационных режимах работы тепловозов для различных видов топлив, с возможностью оптимизации фазовых характеристик процесса топливоподачи; предложен способ регулирования угла опережения впрыска (УОВ) топлива тепловозного дизеля при проведении реостатных испытаний и на пунктах экологического контроля; уточнены и выбраны критерии, позволяющие оценить степень вредного воздействия тепловоза на состояние окружающей среды; предложены методы и способы оценки степени улучшения технико-экологических показателей работы дизелей тепловозов.
Объектом исследования является теплосиловая установка тепловоза, включающая в себя ДВС. Предметом исследования являются внутрицилиндровые процессы и процессы образования токсичных веществ ДВС. Методы исследования. Для выполнения работы применялись, разработанные компьютерные модели, обобщающие произведенные ранее исследования и учитывающие до 400 химических реакций горения в камере сгорания ДВС, также использовались методы математической статистики и обработки натурных испытаний тепловозов. Идентификация разработанных 1 f Л ГГЛГТЛТ» І-»»» ни»»»""»-— — — — ОГ дизелей тепловозов производилась на основе обширного эмпирического материала, полученного при испытаниях тепловозов автором и другими исследователями.
Целью исследования является повышение экономичности и экологичности дизелей тепловозов путем использования углубленных комплексных математических моделей рабочего процесса, обладающих прогностическими свойствами и способных корректно определять энергоэкологические и экономические показатели тепловозных дизелей.
Задачи исследования. В связи с указанной целью поставлены следующие основные задачи:
- систематизировать и провести анализ эффективности различных методов и способов повышения экономичности и экологичности дизелей тепловозов;
доказать перспективность использования компьютерного моделирования для достижения целей и задач, поставленных в диссертационной работе;
- провести обзор и анализ современного состояния в области моделирования рабочих процессов ДВС и моделей образования вредных веществ;
- разработать детальные химкинетические модели горения топлива в камере сгорания ДВС, а также термохимическую модель, позволяющую оценивать состав и количество вредных веществ при сгорании топлив альтернативных нефтяным;
- разработать компьютерные модели (программные продукты), имитирующие внутрицилиндровые процессы, протекающие в тепловозном дизеле с целью дальнейшего их внедрения на ПЭК и реостатных станциях локомотивных депо в качестве аналитических средств оценки технико- экологических показателей работы тепловозных ДВС;
- использовать созданные компьютерные программы, обладающие повышению эффективности и экологичности дизелей тепловозов.
Достоверность исследований доказана применением фундаментальных физико-химических закономерностей при исследовании процесса сгорания топлива, а также путем сравнительного анализа результатов расчетов с данными реостатных испытаний и экологического контроля тепловозов. Погрешность моделирования энерго-экологических характеристик тепловозных двигателей, полученная при сравнении результатов теоретических расчетов по разработанным моделям с данными технических экспериментов не превышает 5-10%.
На защиту выносятся следующие положения:
1 .Детальная химкинетическая модель процесса сгорания углеводородного топлива в цилиндре дизеля.
2.Термохимическая модель рабочего процесса и образования продуктов сгорания ДВС.
3.Квазигазодинамическая модель рабочего процесса двигателя.
4.Матстатистическая модель закаливания оксидов азота в камере сгорания двигателя.
5.Автоматизированная система ENGINE расчета энерго-экологических параметров ДВС.
б.Метод регулирования УОВ топлива двигателя по оптимальным эколого-экономическим показателям.
7.Методика расчета санитарно-защитных зон предприятий, эксплуатирующих тепловозы.
8. Методика регулирования двигателя по технико-экологическим показателям с использованием метода отключения одного из цилиндров.
Практическая ценность и область применения результатов исследования.
1. Разработаны компьютерные программы для реализации моделей, основанных на современных физико-химических представлениях о рабочем энерго-экологических и экономических показателей работы двигателей при испытаниях тепловозов.
2. Разработана автоматизированная система (АС) расчета тепловых двигателей, по энергетическим и экологическим показателям, которая может быть использована не только на двигателестроительных заводах при проектировании конструкций тепловых машин, но также во время эксплуатационных испытаний известных конструкций в целях диагностики тепловозных дизелей.
3. Предложен способ регулирования оптимального УОВ топлива, позволяющий определять влияние всего спектра вредных веществ на экологические и мощностные показатели двигателя и обеспечивающий снижение токсичности выбросов ДВС во всем диапазоне нагрузок.
4. По результатам численных экспериментов при моделировании и на основе статистических данных о натурных испытаниях тепловозных дизелей даны рекомендации по возможности и эффективности применения на транспортных средствах альтернативных и комбинированных видов топлив, определены оптимальные составы комбинированных топлив и степени рециркуляции ОГ, обеспечивающие снижение токсичности тепловозов.
5. По результатам модельных расчетов сделаны выводы о перспективности использования аккумуляторных топливных систем на маневровых тепловозах.
6. Доказана эффективность работы тепловозных дизелей при регулировании степени сжатия, УОВ топлива и продолжительности подачи, предложены варианты настройки топливной аппаратуры для дизелей тепловозов 10Д100, 2ТЭ116 и ЧМЭЗ, обеспечивающие снижение удельных расходов топлива и количества вредных веществ в ОГ.
7. Предложена методика оценки степени воздействия тепловозов на окружающую среду, предусматривающая расчет количества вредных выбросов от дизелей тепловозов и их рассеивание в атмосфере, определены размеры санитарно-защитных зон (СЗЗ) предприятий, эксплуатирующих тепловозы, выработаны рекомендации к их обустройству.
Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались, обсуждались и получили одобрение на:
- Международной научно-практической конференции "Энергетика, экология, безопасность" (г. Ростов-на-Дону, РГУ ПС, 1997г.);
- Ш-ей Международной научно-технической конференции "Новые технологии управления движением технических объектов" СКНЦ ВШ (г. Новочеркасск, 2000г.);
- заседаниях кафедры "Двигатели внутреннего сгорания" (г. Новочеркасск, ЮРГТУ, 2000г., 2006г.);
- XVI-ой Международной научной конференции "Математические методы в технике и технологиях" (г. Ростов-на-Дону, РГАСХМ ГОУ, 2003 г.);
- Научно-технических советах в НИИ и ПМ РГУ "Экология транспорта" (г. Ростов-на-Дону, РГУ, 2003г., 2005г.);
- заседании кафедры "Поршневые двигатели" (Э-2) МГТУ им. Н.Э. Баумана (г. Москва, МГТУ, 2005г.);
- Всероссийской научно-практической конференции "Транспорт-2005" (г. Ростов-на-Дону, РГУ ПС, 2005г.);
- открытом межкафедральном семинаре кафедр "Безопасность жизнедеятельности и защита окружающей среды" ДГТУ, "Теплоэнергетика на железнодорожном транспорте" РГУ ПС, "Сельскохозяйственные машины и оборудование в полеводстве" ДГТУ, "Металлорежущие станки и инструмент" ДГТУ, "Электрические машины и аппараты" РГУПС, "Экология транспорта" НИИ и ПМ РГУ (г. Ростов-на-Дону, ДГТУ, 2005г.);
- Межвузовской научно-технической конференции ППС, студентов и аспирантов (г. Ростов-на-Дону, ДГТУ, 2006г);
- заседании кафедры "Локомотивы" СамГАПС (г. Самара, 2006 г.);
- Научно-техническом совете ФГУП ВНИКТИ (г. Коломна, Московская Публикации. По материалам диссертации опубликовано 39 печатных работ, в том числе 2 монографии, получены два патента на изобретения, два авторских свидетельства и авторское право на программный продукт.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованных литературных источников. Материал диссертации содержит 328 страниц машинописного текста, 29 таблиц, 58 рисунков, список библиографических источников из 187 наименований. Отдельное приложение на 220 страницах.
В первой главе всесторонне проанализированы различные методы и способы повышения экономичности и экологичное™ дизелей подвижного состава железных дорог. Из имеющихся методов особо выделяется наиболее действенный способ борьбы с выбросами вредных веществ - в самом источнике их возникновения, т.е. непосредственно в камере сгорания тепловозного дизеля. При этом делается вывод о перспективности использования математического и компьютерного моделирования для решения различных задач оптимизации рабочего процесса ДВС по технико-экологическим показателям.
Во второй главе выполнен подробный литературный обзор и анализ используемых в России и мире научных подходов к моделированию рабочего процесса в ДВС. Описаны газодинамические модели в цилиндре ДВС, модели теплообмена, сгорания в двигателях, образования вредных веществ, а также программные продукты, моделирующие рабочий процесс в ДВС.
По результатам этого анализа сформулированы исходные требования к инженерным компьютерным моделям горения и обозначены перспективы их использования, в том числе для экологических целей и в технико-математическом эксперименте. В результате сопоставления достоинств и недостатков имеющихся методов моделирования с учетом, имеющихся теоретико-методических заделов, разработаны требования к созданию современных математических и компьютерных моделей, адекватно описывающих реальные внутрицилиндровые процессы в дизеле.
и термохимии и позволяют определять весь спектр энергетических, экономических и экологических характеристик тепловых двигателей на различных эксплуатационных режимах работы дизелей тепловозов.
В третьей главе диссертационной работы представлены разработанные углубленные математические модели рабочего процесса в ДВС. При создании моделей было уделено более серьезное внимание рассмотрению процессов горения в камере сгорания двигателя с позиций неравновесной химической кинетики. В детальной химкинетической модели учитываются до 400 химических реакций горения углеводородного топлива. Представлено подробное описание кинетической схемы горения. Рассмотрены также модели турбулентности, испарения топливных капель в камере сгорания тепловозного дизеля и полуэмпирическая квазигазодинамическая модель. Описаны статическая термодинамическая и термохимическая модели. Представлена разработанная модель образования и гибели оксидов азота в камере сгорания дизеля, учитывающая их "закаливания" в камере сгорания (КС) ДВС. Описанный в диссертации алгоритм инициализации ИММ образования окислов азота в ДВС представляет собой метод каскадной (двухэтапной) факторизации. При реализации данного метода на основе обширного эмпирического материала по выбросам модель идентифицировалась.
Четвертая глава целиком посвящена компьютерным моделям рабочего процесса в ДВС, требующим для своей реализации ЭВМ. В частности, подробно описана иерархия моделей этого сорта, сконструированных как для целей технической диагностики и оптимизации рабочего процесса двигателя, так и для исследовательских нужд в области транспортной экологии. Описаны свойства этих моделей и области применения. Кроме того, показана возможность использования программных продуктов, реализующих математические модели расчета рабочего процесса в ДВС в системах автоматизированного проектирования тепловых двигателей и при исследовании новых конструкций дизелей, а также в целях технической диагностики ТЙПППТЗЛ ЗиЧУ nuoonafi Практические результаты компьютерного моделирования и их сравнение с данными физических экспериментов и результатами, полученными по другим моделям, составляют предмет пятой главы. Произведена проверка адекватности моделей по технико-экологическим показателям, которая подтвердила высокую эффективность произведенных расчетов (погрешность 5-Ю %). Описаны полученные расчетным путем результаты, представляющие собой как чисто научный, так и прикладной интерес. Намечены направления практически ориентированных исследований энерго-экологических характеристик тепловозных дизелей посредством численных экспериментов на ПЭВМ. Прежде всего, рассматривается вопрос возможности внедрения разработанной АС ENGINE в программное обеспечение Методики безразборной диагностики дизелей тепловозов по технико-экологическим параметрам на реостатных станциях и ПЭК.
В пятой главе диссертации рассматриваются вопросы, связанные с:
- оптимальной настройкой топливной аппаратуры тепловозного дизеля;
- применением на транспорте альтернативных и комбинированных видов топлива;
- возможностью рециркуляции отработавших газов тепловозных дизелей;
- перспективностью применения аккумуляторных топливных систем;
- возможностью использования моделей для целей инженерной экологии (расчет СЗЗ локомотивных депо).
Также определен экономический эффект от внедрения на реостатных станциях и ПЭК способа регулирования УОВ топлива по минимуму эколого-экономического коэффициента (ЭЭК).
В заключении намечены перспективы использования разработанных программных продуктов для исследовательских целей и сформулированы выводы.
Результаты расчетов СЗЗ локомотивных депо, эксплуатирующих тепловозы, протоколы испытаний дизелей тепловозов, приборное обеспечение, схемы горения углеводородного топлива, результаты компьютерного моделирования и их сравнение с данными физических экспериментов, а также документы, подтверждающие использование и внедрение разработанных ПП содержатся в отдельно выполненном Приложении (том 2) к диссертации.
Уточнение размеров санитарно-защитных зон предприятий, эксплуатирующих маневровые и магистральные тепловозы
Обеспечение экологической безопасности при воздействии на атмосферу транспортных объектов, в том числе тепловозов, дизель-поездов, автомотрис и путевой техники является одной из актуальных задач инженерной экологии. Достаточно отметить, что в соответствии с [3] и [4] все транспортные средства подлежат регулярным проверкам на соответствие их выбросов техническим нормативам и в случае превышения нормативов эксплуатация таких транспортных средств запрещается.
Вместе с тем, предприятия, эксплуатирующие маневровые и магистральные тепловозы и другие транспортные средства в соответствии с [2] имеют установленную санитарно-защитную зону (СЗЗ), представляющую собой территорию определенной протяженности и ширины, отделяющую источники загрязнения от границ зоны жилой застройки. В зависимости от класса предприятия устанавливается нормативная минимальная ширина СЗЗ (табл. 1.1).
Например, для локомотивных депо, железнодорожных станций, предприятий эксплуатирующих тепловозы и относящиеся к III классу производства СЗЗ равна 300 м.
Однако как следует из [5] размеры СЗЗ, установленные в Санитарных нормах проектирования промышленных предприятий, должны проверяться расчетом загрязнения атмосферы в соответствии с требованиями вышеприведенного документа и с учетом перспективы развития предприятия и фактического загрязнения атмосферного воздуха.
Если при этом размеры СЗЗ получаются больше, чем установленные государственными стандартами, то требуется пересмотр организационно-технических решений, направленных на обеспечение выполнения санитарно-гигиенических норм за счет уменьшения количества выбросов вредных веществ в атмосферу. При невозможности обеспечить требуемые размеры СЗЗ, их принимают в соответствии с загрязнением атмосферного воздуха по согласованию с Минздравом и Госстроем России.
С целью уточнения размеров СЗЗ были произведены расчеты рассеивания загрязняющих веществ (ЗВ) для магистральных (2ТЭ10 и 2ТЭ116) и маневровых тепловозов (ЧМЭЗ и ТЭМ2У) на всех режимах их работы при неблагоприятных метеорологических условиях, т.е. рассмотрены так называемые граничные случаи, соответствующие наихудшему рассеиванию ЗВ в приземном слое атмосферы (см. прил.А табл. А.1 - А. 16).
Исходные данные основывались на технических нормативах выбросов тепловозов (см. прил.А табл.А.18), определенных в соответствии с действующим ГОСТ Р 50953-96. Дополнительные технические параметры тепловозов, необходимые для расчета санитарно защитных зон (мощность, высота трубы, эффективный диаметр устья и объем отработавших газов) представлены в прил.А табл.А.17.
Данные расчеты показали, что концентрации ЗВ в атмосферном воздухе в пределах СЗЗ значительно превышают значения санитяпнп - mrupuirao n норматива - ПДК, а сами размеры СЗЗ существенно превосходят установленные нормативные величины. Расчеты были произведены по [5] и [6], а также с использованием, разработанных автором программным продуктам (ENGINE) для маневровых тепловозов (рассматривались два типа ЧМЭЗ и ТЭМ2У) и магистральных (2ТЭ10 и 2ТЭ116) на режимах холостого хода, промежуточном режиме, соответствующем 50% номинальной мощности, и номинальном.
Как следует из расчетов максимальная приземная концентрация ВВ в воздухе по оксидам азота (NOx) превышает ПДК в 62 -г 86 раз для магистральных тепловозов и в 57 -f- 73 раз по маневровым, работающих на номинальном режиме. Расстояние, на котором достигается ПДК ВВ составляет для магистральных тепловозов 3790 ч- 4565 м, а для маневровых - 2048 ч- 2190 м. Результаты вычислений максимальных приземных концентраций частиц сажи (С) в атмосферном воздухе показывают, что ПДК превышены в 3,5 ч- 4,8 раз для магистральных тепловозов и в 4 -г 5,1 раз для маневровых, работающих на номинальном режиме. При этом расстояние, на котором достигается ПДК сажи в воздухе составляет для магистральных тепловозов 344 ч- 403 м, а для маневровых -214 ч- 234 м.
Аналогичные расчеты были проведены и для оксида углерода (СО). Результаты вычислений максимальных приземных концентраций СО в атмосферном воздухе показывают, что ПДК превышены на 3 % для магистральных тепловозов, работающих на номинальном режиме. При этом расстояние, на котором достигается ПДК составляет для магистральных тепловозов 141 м.
При таком значительном превышении санитарно-гигиенических норм в зоне работы тепловозов возникает вопрос о возможности соблюдения этих норм даже при эксплуатации самой современной дизельной техники.
Для этого были произведены исследования загрязнений атмосферного гораздо более жестким, по сравнению с российскими, европейским и американским стандартам. Расчеты выполнялись для стандартов UIC-623.1/2/3, ЕРА USA, EURO 1, EURO 2,...,EURO 5 (табл. 1.2).
Системы нейтрализации и очистки отработавших газов дизелей тепловозов
В настоящее время предлагается использование различных устройств нейтрализации вредных веществ в отработавших газах дизелей тепловозов и систем очистки в первую очередь от сажи и NOx. Все системы делятся на стационарные и нестационарные, а способы очистки на мокрые, сухие и физико-химических явлениях и эффектах. Однако почти все методы и способы очистки наравне с преимуществами имеют ряд недостатков. Рассмотрим их более подробно. Абсорбционные методы очистки отработавших газов
Одним из перспективных методов очистки отработавших газов следует признать жидкостный абсорбционный способ. К его преимуществам можно отнести сравнительно небольшую стоимость и высокую эффективность улавливания газообразных выбросов [21]. Обычно жидкость диспергирует с образованием маленьких капель, тонких пленок, что обеспечивает большую площадь контакта, необходимую для массообмена. Для интенсификации массообмена прибегают к пневматическому, циркуляционному, механическому и вибрационному перемешиванию газожидкостных систем.
Процесс поглощения газов жидкостью, производимый с помощью различных вибрационных устройств, имеет значительные перспективы. По оценкам ряда исследований абсорбция жидкостью газов при вибротурбулизации приводит к увеличению их растворимости в 5-6 раз. При определенных частотах и ускорениях объем жидкости достигает состояния псевдокипения при комнатных температурах и в этом процессе происходит поглощение водой таких вредных компонентов, как СО, NOx, С02, SOx, CnHm, H2S, твердые сажистые частицы. Эти данные были положены в основу, разработанного в РГУ ПС вибротурбулизационного способа поглощения отработавших газов. На рис. 1.4 представлен промышленный образец установки поглощения газовых выбросов (УПГВ), защищенный рядом патентов РФ [22].
Результаты испытаний промышленного образца показали, что его применение на реостатных станциях локомотивных депо позволяет снизить концентрацию оксидов азота на 83 %, СО на 80 %, С02 на 81 %, твердых частиц и сажи до 99 %. Срок окупаемости УПГВ составляет около 1,5-2 лет. Однако следует отметить, что увеличиваются пополнительные шлепжки сажи. Анализируя работу существующих систем газоочистки и механизм нейтрализации отдельных вредных веществ, разработчики на ПО «Брянский машиностроительный завод» пришли к выводу о необходимости разделения процесса очистки отработавших газов тепловоза на два этапа. При этом приняли во внимание тот факт, что отработавшие газы от 99.9% до 99.8% состоят из безвредных примесей (продуктов полного сгорания), следовательно, для выведения из них вредных компонентов целесообразнее всего применять реагента использовалась обыкновенная вода, обладающая достаточно высокой реакционной способностью по отношению к окислам азота и серы. В этом случае получаются молекулы азотной, сернистой и серной кислот.
Однако очевидно, что при подаче воды в выпускной коллектор нейтрализации отработавших газов не происходит, а только одни вредные вещества переходят в другие, изменяются их характеристики и агрегатное состояние. Следовательно, дальнейшей задачей является удаление из отработавших газов сажевых и аэрозольных частиц. Поэтому в качестве второй ступени очистки было предложено устройство вихревого улавливания аэрозольных фракций (см. рис. 1.5).
Устройство вихоевого улавливания аэоозольных Апакпий
Оно устанавливается вместо существующих систем искрогашения разработки ПО «Брянский машиностроительный завод». Основной целью разработки вихревого устройства было создание условий для образования малых вихрей, способствующих выведению вредных примесей из отработавших газов
История развития различных методов расчета рабочих процессов в тепловых двигателях
С самого начала создания тепловых двигателей во всем мире велись работы по разработке теории рабочего процесса, расчетных методов его анализа. Целой плеядой ученых были выполнены исследования по установлению связей между параметрами индикаторного процесса, разработаны теоретические положения для исследования рабочего процесса в цилиндрах двигателей. Правда, на первых ступенях развития теории ДВС, в конце XIX и в самом начале XX столетия расчет производился весьма примитивно. Рассчитывали идеальный процесс по одному из известных термодинамических циклов (цикл Отто или Дизеля), а затем делали пересчет полученных результатов на действительные условия при помощи двух среднего индикаторного давления к действительному и второго - для перехода от теоретического коэффициента полезного действия (КПД) к действительному. Подобные расчеты были практически формальными и не могли обеспечить надежных и достоверных результатов. Такое положение продолжалось вплоть до 1906 г.
В 1906 году профессор В.И. Гриневецкий предложил метод теплового расчета, который в дальнейшем был развит и дополнен Е.К. Мазингом, Н.Р. Брилингом, Б.С. Стечкиным, А.Н. Воиновым, Н.В. Иноземцевым, И.И. Вибе, А.С. Орлиным, Н.А. Глаголевым, А.Э. Симеоном, Н.А Иващенко, Ю.А., Р.З. Кавтарадзе, Магнитским, 3.3. Мацем, А.П. Кудряшом, Н.Ф Разлейцевым., Е.Е. Косовым, В.А. Звоновым, P.M. Петриченко и многими другими учеными. Сущность этого метода заключается в том, что вместо двух общих поправочных коэффициентов В.И. Гриневецкий ввел целый ряд частных параметров для отдельных элементов теплового расчета, которые были найдены путем анализа экспериментальных исследований нескольких двигателей.
Уровень указанных разработок был настолько высок, что основные методы расчетов применяются и в настоящее время.
В последующие годы было выполнено большое количество исследований, связанных с совершенствованием методов расчета рабочих процессов, в том числе процессов сгорания.
Однако, несмотря на большое количество работ, посвященных вопросам исследования и расчетов процесса сгорания, до настоящего времени отсутствует подробная общепризнанная теория этого процесса [27], [28], [29]. Поэтому всеобъемлющее описание указанных процессов заменяется упрощенными методиками, пригодными для выполнения инженерных расчетов и исследований.
В истории моделирования рабочих процессов двигателей наибольшее распространение получил классический термодинамический анализ цикла по машин. Термодинамический анализ рабочего процесса основан на аппроксимации реального процесса идеализированным, а именно принятой совокупностью двух политропных, изохорного и изобарного процессов. Необходимые для аппроксимации коэффициенты выбирались на основании прошлого эмпирического опыта. Однако отказаться от условностей в этом расчете с его многочисленными опытными коэффициентами не удалось. Сам автор метода признавал, что "законченного и вполне достоверного метода расчета процесса сгорания с учетом протекания процесса во времени еще не существует".
Главным недостатком классического термодинамического анализа является пренебрежение временным фактором, что полностью исключает, например, параметрическую оптимизацию на его основе быстроходных двигателей, в которых процессы механической, физической и химической природы имеют сопоставимые характерные времена. Другой недостаток стационарных термодинамических моделей выражается в необходимости задавать в исходные данные набор параметров, значения которых и связи между которыми изучены недостаточно. Например, степень повышения давления, доля теплоты, выделенная к верхней мертвой точке, и многие другие характеристики процесса. Кроме этого, термодинамический расчет ДВС нацелен на определение исключительно энергетических характеристик цикла, при этом существенная для целей экологии термохимия рабочего процесса остается за рамками расчетов. Наконец, стационарные термодинамические модели ориентированы в основном на расчет номинального режима работы двигателя, давая серьезные искажения при оценке работы ДВС на частичных нагрузках.
Несмотря на перечисленные недостатки, простота и наглядность термодинамического подхода к анализу рабочего цикла двигателя определяют его привлекательность для инженерных расчетов. Такие простые модели, в которых рабочим телом являлся воздух, учитывают влияние степени сжатия на введены зависимости для определения термодинамических свойств продуктов сгорания, выяснилось значительное влияние на основные показатели двигателя соотношения "топливо-воздух". Именно из-за невозможности достоверно моделировать процесс сгорания возникает множество проблем. Процесс горения пытались моделировать лишь путем недостаточно обоснованной добавки теплоты в цикл, кроме того, процесс теплообмена описывался переносом определенного усредненного количества теплоты в каждой стадии цикла тепловой машины.
Естественно, что распространение простых термодинамических методов расчета тепловых машин среди исследователей многих стран было связано, с одной стороны, ограниченными на тот период времени возможностями вычислительной техники, а с другой стороны, недостаточным базовым уровнем знаний и неспособностью математически выразить сложные физические и химические явления, протекающие в двигателе.
Математическая модель химической кинетики: общие положения
Источником совершаемой двигателем работы служит внутренняя химическая энергия, запасенная в топливе. От динамики ее выделения зависят такие характеристики рабочего процесса, как КПД, "жесткость", токсичность выхлопа, тепловая напряженность деталей цилиндро-поршневой группы и ряд других параметров. Для правильного воспроизведения динамики тепловыделения в математической модели внутрицилиндровых процессов необходимо грамотно учесть все влияющие на нее факторы при сохранении иерархии между соответствующими характерными временными характеристиками - временем механического движения тм; временем турбулизации рабочего тела тт; временем химических превращений тх и (для двигателей с внутренним смесеобразованием) временем впрыска тв; временем испарения ги. Приведенное здесь простое перечисление характерных времен различных единовременно протекающих процессов свидетельствует о невозможности создания обобщенных эмпирических математических моделей рабочего процесса ДВС, обладающих предсказательными функциями. Последнее утверждение дополнительно усиливается фактом многократного изменения упомянутой временной иерархии в течение каждого отдельного
Составление математической модели начнем с формулировки уравнений, справедливых для любых типов поршневых ДВС.
Описание химических превращений в ДВС является наиболее уязвимым местом существующих математических моделей. Их детальный подробнейший учет может рассматриваться как существенный шаг вперед на пути создания нового поколения математических моделей внутрицилиндровых процессов, базирующихся на имитационном потенциале физико-химической кинетики. Так, кинетическое уравнение химических превращений в камере сгорания ДВС имеет следующий вид:
где с, и f, - концентрации z -ro химического компонента (в газообразном состоянии) и скорость его наработки в химических реакциях при постоянном объеме; Т и V - температура и мгновенный объем КС; g, и h , - скорости изменения концентрации /-го компонента в результате турбулентного переноса вещества и фазовых переходов, т.е. испарения топливных капель. В частном случае, при g, = h , = 0 для всех компонентов уравнение (3.1) описывает химические превращения при бесконечно интенсивном перемешивании и постоянной массе рабочего тела. Конкретный вид функций fj{c,,T) будет рассмотрен в разделе 3.4, посвященной химизму внутрицилиндровых процессов газовых, карбюраторных и дизельных двигателей. Нагрев рабочего тела в процессе горения-расширения описывается уравнением: где М = М-и CV=CV{CK,T)- количество газообразного вещества в КС и молярная изохорная теплоемкость рабочего тела; R - универсальная газовая постоянная; Qx , Qu и Qn - количество теплоты, выделяемое в процессе химических превращений, теряемое в результате совокупного теплообмена между рабочим телом и стенками КС и расходуемое на испарение капель топлива.
Скорость тепловыделения в химических реакциях описывается уравнением: (3.3) где Hk uWk - тепловыделение к-ой химической реакции и ее скорость.
Необходимый для расчета тепловыделения термодинамический эффект каждого элементарного химического акта определяется как разность теплот образования исходных реагентов и продуктов реакции.
