Содержание к диссертации
Введение
1. Проблемы определения и снижения сажесодержанйя в отработавших газах дизелей 6
1.1. Причина образования сажи 6
1.2. Экспериментальное и теоретическое определение сажесодержания в отработавших газах дизеля 17
1.3. Основные способы снижения сажесодержания 28
1.4. Задачи настоящего исследования 32
2. Определение сажесодержания в отработавших газах дизеля и расчетно-теоретические исследования 33
2.1. Методика теоретического определения сажесодержания в отработавших газах дизеля 33
2.2. Алгоритм и программа расчета на IBM PC сажесодержания в отработавших газах дизеля 41
2.3. Теоретические исследования по влиянию конструктивных и эксплуатационных параметров на сажесодержание в отработавших газах дизеля 42
2.3.1. Влияние коэффициента избытка воздуха 44
2.3.2. Влияние степени сжатия 47
2.3.3. Влияние давления и температуры наддувочного воздуха 49
2.3.4. Влияние продолжительности впрыскивания топлива 57
2.3.5. Влияние диаметров цилиндра и распиливающих отверстий 58
2.3.6. Влияние плотности отработавших газов 63
2.3.7. Влияние цетанового числа топлив 64
3. Экспериментальная установка. разработка электронного регулятора частоты вращения. методика исследований . 66
3.1. Экспериментальная установка 66
3.2. Приборы и измерительная аппаратура 69
3.3. Разработка электронного регулятора частоты вращения 72
3.3.1. Конструкция электронного регулятора частоты вращения 73
3.3.2. Работа электронного регулятора частоты вращения 78
3.4. Методика экспериментального исследования и оценка погрешности измерений 79
4. Расчетно-экспериментальные исследования рабочего цикла и сажесодержания в отработавших газах дизеля при различных способах улучшения условии смесеоб разования и сгорания 85
4.1. Исследование рабочего цикла и сажесодержания в отработавших газах дизеля 1415,0/20,5 при работе на различных топливах 86
4.1.1. Регулировочные характеристики дизеля по углу опережения подачи топлива 86
4.1.2. Нагрузочные характеристики дизеля (n = 1250 мин"1).. 87
4.1.3. Скоростные характеристики дизеля 90
4.2. Исследование влияния наддува на показатели рабочего цикла и сажесодержание в отработавших газах дизеля.. 92
4.3. Исследование сажесодержания в отработавших газах дизеля при уменьшении "потерянных" объемов камеры сгорания 92
4.4. Исследование рабочего цикла и сажесодержания в отработавших газах дизеля 4ЧН15,0/20,5 при работе
с электронным регулятором частоты вращения 98
Выводы и рекомендации 106
Литература
- Экспериментальное и теоретическое определение сажесодержания в отработавших газах дизеля
- Методика теоретического определения сажесодержания в отработавших газах дизеля
- Разработка электронного регулятора частоты вращения
- Исследование рабочего цикла и сажесодержания в отработавших газах дизеля 1415,0/20,5 при работе на различных топливах
Введение к работе
Важнейшей составной частью энергетического комплекса страны являются дизельные двигатели, анализ перспектив развития которых показывает, что они сохранят доминирующее положение в обозримом будущем благодаря их наиболее высокой экономичности по сравнению с другими тепловыми двигателями. В этой связи особое значение приобретают работы по улучшению энергетических, экономических, эксплуатационных и экологических характеристик тракторных дизелей. Однако, если два-три десятилетия тому назад на первом плане были энергетические, а в последнее время - экономические показатели двигателя, то в настоящее время особое внимание уделяется вопросам снижения токсичности отработавших газов (ОТ).
Улучшение экологических характеристик дизелей и, в частности, снижение сажесодержания в ОГ во многом определяется степенью совершенства рабочего цикла и, в первую очередь, процессов смесеобразования и сгорания. Необходимость снижения сажесодержания в ОГ дизелей обуславливается потребностью повышения экономичности работы дизеля и снижения токсичности ОГ. Кроме того, сажа, попадая в масло, вызывает его загрязнение и пригорание, а, оседая на стенках цилиндра, поршня, головки и клапанах, способствует образованию нагара, ухудшающего условия работы этих деталей.
Качество процессов смесеобразования и сгорания зависит от факторов, влияющих на условия в которых они протекают, а именно: свойства топлива, форма камеры сгорания, системы питания топливом и воздухом и т. д..
Целью диссертационной работы является - снижение сажесодержания в ОГ тракторного дизеля на базе научных основ, позволяющих создать методику определения и прогнозирования сажесодержания в ОГ, функциональные зависимости сажесодержания от параметров двигателя, а также реализовать способы снижения сажесодержания в тракторном дизеле, воздействуя на факторы, улучшающие условия смесеобразования и сгорания. Научную новизну работы представляют: методика теоретического определения сажесодержания в ОГ дизеля; расчетно-теоретические зависимости сажесодержания в ОГ от конструктивных и эксплуатационных параметров дизеля; решения по созданию электронного регулятора частоты вращения для управления подачей топлива, защищеные двумя патентами. Практическую ценность работы составляют: алгоритм и программа расчета на IBM PC сажесодержания в ОГ дизеля; применение электронного регулятора; результаты расчетно-теоретических исследований по снижению сажесодержа-ния в ОГ тракторного дизеля.
В качестве объекта исследования выбраны дизели ОАО "Челябинский тракторный завод" , которые широко применяются на тракторах, строительных, дорожных и других машинах. Большое народно-хозяйственное применение этих дизелей (в промышленности, шахтах, карьерах и т. д.) явилось основной причиной выбора их в качестве объекта исследования.
Первая глава диссертации посвящена анализам причин образования сажи в процессе сгорания, экспериментального и теоретического её определения, описаны основные способы снижения сажесодержания в ОГ, а также представлены цели и задачи исследования.
Во второй главе изложена разработанная математическая модель определения сажесодержания в ОГ дизеля и проведены расчетно-теоретические исследования по определению влияния конструктивных (диаметра цилиндра, степени сжатия, диаметра распыливающих отверстий, продолжительности впрыскивания топлива) и эксплутацион-ных (коэффициента избытка воздуха, давления и температуры наддувочного воздуха, плотности ОГ и рода топлива) параметров на саже-содержание в ОГ.
В третьей главе приведено описание экспериментальной установки, измерительной аппаратуры и методики исследования. Кроме того, рассматривается разработка электронного регулятора частоты вращения тракторного дизеля, применяемый автором, как способ снижения сажесодержания в ОГ на переходных режимах.
Четвёртая глава посвящена расчетно-зкспериментальным исследованиям рабочего цикла и возможности снижения сажесодержания в ОГ дизелей 1415,0/20,5 и 4ЧН15,0/20,5 при различных способах улучшения условий смесеобразования и сгорания, а именно, использование минимизации "потерянных" объемов камеры сгорания, применение наддува, различных топлив (керосин, смесь дизельного топлива с бензином А-76 (50 +50%)) и электронного регулятора частоты вращения.
Проведённые исследования послужили основанием для конкретных предложений по совершенствованию рабочего цикла и снижению сажесодержания в ОГ дизелей ОАО "Челябинский тракторный завод". Акт внедрения представлен в приложении 2.
Экспериментальное и теоретическое определение сажесодержания в отработавших газах дизеля
Определение сажесодержания в ОГ дизеля и анализ факторов, влияющих на её величину, позволяет найти способ к повышению экологических характеристик двигателя и снижению загрязнения окружающей среды.
Для экспериментальной оценки дымности ОГ нашли применение в основном два метода: 1) метод, основанный на фильтрации потока ОГ определенного объема с последующим измерением степени черноты фильтра оптическим путем; 2) метод, основанный на измерении оптической плотности.
По первому методу определенный объем ОГ пропускается через фильтрующий элемент, затем этот фильтр, покрытый сажей, помещается в специальное устройство измерительного прибора с фотоэлементом, фиксирующим отраженный от пробного фильтра свет.
Дымомеры данного типа выпускаются различными странами. К ним можно отнести следующие: "Бош" (ФРГ),"Фон Брандм (США), ИД - 1 конструкции НАМИ (Россия), ИЛАНЭ - 35/300и (Россия), NC - 112 (ЧСФР), AYL (Австрия).
Из всех дымомеров данного типа наиболее распространен прибор "Бош". Точную характеристику данного прибора дал в своей работе О.й.Жегалин С13]. Нарис. 1.6 представлена схема дымомера типа -Бош":
В дымомере " Бош EFAW-68A" применяются круглые бумажные фильтры диаметром 40 см с размером пор около 4,5 мкм. Через фильтр просасывается 300...330 см3 ОГ. Время отбора пробы - около 1,5 с. Варианты дымомера "Бош" предусматривают использование вместо сменных бумажных фильтров - рулонную ленту.
Шкала "Бош" разбита на 10 единиц, где "О" соответствует чистому фильтру, "10" - полному поглощению света поверхностью фильтра. Диапазон измерения сажесодержания ОГ для дымомера типа "Бош" - 0...1,7 г/м3.
Приборы типа "Бош" пригодны только для дискретных измерений дымности на установившихся режимах. Как отмечается в работе [13] дымомер "Бош" не дает высокой точности измерения, но он весьма удобен при измерении и компактен.
Второй метод основан на регистрации измерений оптической плотности потока ОГ [53]. По этому принципу работают дымомеры типа "Хартридж" (Англия), KDM-4 (Германия), СИДА-107 "Атлас" (Армения). Конструкция дымомера "Хартридж" (рис. 1.7) представляет собой двухканальную оптическую систему, в рабочий канал 2 которой вводят отработавшие газы, а в сравнительный канал 6, одновременно подают чистый воздух и поочередно просвечивают их. Источником света служат лампы накаливания 1, а в качестве приемника используют фотоэлемент 3, фототок которого зависит от оптической плотности газа.
Приборы типа "Хартридж" калиброваны в % поглощения света (единицы дымности по "Хартриджу"), шкала равномерно разделена на 100 единиц. Преимуществом дымомера типа "Хартридж" является непрерывность измерения, т.е. этими приборами можно пользоваться при работе двигателя на неустановившихся режимах, однако эти приборы сложны, громоздки и тяжелы.
1) Для увеличения точности измерения в системе отбора создают избыточное давление в измерительной камере от 50 до 75 мм.вод.ст., а температуру газа поддерживают на уровне 70 С, для чего предусмотрено водяное охлаждение ОГ. Понижение температуры недопустимо из-за конденсации влаги, которая приводит к большим погрешностям в измерении дымности ОГ.
Действие прибора DFM-2 (ВНР) С13] основано на поперечном просвечивании свободно вытекающей из выхлопной трубы струи ОГ. Этот прибор непрерывного действия, удобен в эксплуатации, однако имеет большую погрешность из-за непостоянного диаметра газового потока и фонового свечения. С целью исключения влияния освещенности фотоэлемента от естественного света в дымомере применяют специальные светоизлучатели и светоприемники.
Приборы типа "Бош" и "Хартридж" дают показания в различных условных единицах. На рис. 1.8 приведены зависимости массового содержания сажи по отношению к единицам измерения приборов типа "Бош" и "Хартридж" С28].
Методика теоретического определения сажесодержания в отработавших газах дизеля
Так как эксперименты на современных двигателях весьма дорогостоящи и трудоемки, а создание комбинированного малотоксичного двигателя опытным путем требует проведения многочисленных опытов, то целесообразно большую часть работ по отработке бездымного рабочего процесса выполнять на математических моделях.
При использовании ЭВМ возможности и эффективность теоретических методов возрастают. Теоретическая модель по определению саже-содержания в ОГ дизеля и, разработанная на ее основе, программа на ЭВМ имеет ряд преимуществ перед экспериментальными исследованиями. Основные из них: - возможность проведения исследований в широком диапазоне изменения параметров и в короткий промежуток времени; - возможность проведения исследований по изучению влияния на дымность отработавших газов дизеля различных топлив, а также широкого круга конструктивных и эксплуатационных параметров .
С помощью разработанной методики определения сажесодержания в ОГ проведены расчетные исследования на IBM PC.
В качестве исходных величин были приняты данные по работе дизеля 1ЧН15.0/20.5 на номинальном режиме ( Ре- 0,828 МПа, п -1250 мин"1):
Давление наружного воздуха Р0, МПа 0,1013 Температура наружного воздуха т0» К 293,0 Давление наддувочного воздуха Рк, МПА 0,162 Температура наддувочного воздуха Тк. К 352,0 Степень сжатия є 15,0 Давление 0Г в выпускном коллекторе в месте отбора газа Р, МПа 0,102 Температура 0Г в выпускном коллекторе в месте отбора газа Т, К 343,0 Элементарный состав топлива: Углерод 0,86 Водород 0,13 Кислород 0,01 Диаметр сопла распылителя dc , м 0,0004 Число распыливающих отверстий , 5 Скорость звука в воздухе Ск, м/с 330,0 Детановое число топлива ЦЧ 45 Плотность топлива рт, кг/м3 834,0 Часовой расход топлива GT, кг/ч 7,7 Коэффициент избытка воздуха с 1,7
В теоретических исследованиях изменялись один или два конструктивных или эксплуатационных параметров, а остальные исходные величины оставались постоянными. В том случае, когда изменение исходного параметра явно влияло на коэффициент избытка воздуха, то последний определялся по формуле: GB Vh Pk с К , (2.22) где Vh - рабочий объем цилиндра, мэ; К - коэффициент пропорциональности; Gu - цикловой расход топлива, г/цикл.
Для оценки важности влияния исходных параметров на сажесо-держание в отработавших газах дизеля было применено факторное исследование.
При проведении дробного факторного исследования были получены коэффициенты уравнения регрессии, отражающие значимость каждого исходного параметра: Du, dc, s, ФВПР. РК, ТК, се на сажесодер-жание. В порядке значимости исходные параметры могут быть расположены по местам согласно таблице 2.2. Знак коэффициента показывает в каком направлении влияет данный параметр на сажесодержа-ние.
Значимость влияния отдельных параметров (Du, dc, s, Фвпр, Рк ТК) х) на сажесодержание в 0Г Номер места Исходные параметры Коэффициент уравнения регрессии А1Z 3 4 5 6 7 ХєPkФвпрdc Тк - 0,3435- 0,0625- 0,018+ 0,0175 + 0,01475- 0,009- 0,00275 2.3.1. Влияние коэффициента избытка воздуха
Многочисленные экспериментальные данные, полученные различными авторами [23, 283, подтверждают гипотезу о значительном влиянии на величину сажесодержания в ОГ дизеля коэффициента избытка воздуха, так как от него во многом зависят условия смесеобразования и сгорания.
Рассмотрим теоретическое влияние коэффициента избытка воздуха на сажесодержание, используя разработанную в главе 2.1. методику.
Методика теоретического исследования предусматривает постоянство указанных выше исходных величин и изменение только коэффициента избытка воздуха (вариант 1), изменение коэффициента избытка воздуха при изменении циклового расхода топлива (вариант 2).
Результаты исследований представлены соответственно в табл. 2.3, рис. 2.6 и табл. 2.4 , рис. 2.7.
Разработка электронного регулятора частоты вращения
Конструкция электронного регулятора частоты вращения включает в себя такие неотъемлемые элементы как, исполнительный механизм, датчики перемещения рейки и частоты вращения, задатчик нагрузки, электронный блок, кабельная сеть и другие датчики, необходимые для учета влияния и повышения эффективности работы дизелей (датчики давления атмосферного и наддувочного воздуха, температуры охлаждающей жидкости, воздуха, топлива и т.д.)
Структурная схема электронного регулятора с сохранением серийного топливного насоса представлена на рис. 3.4.
На рис. 3.5 приведена схема исполнительного механизма рейки топливного насоса. Электромагнит состоит из магнитопровода 4, катушки подмагничивания 3 и подвижной части с катушкой управления 5. Магнитопровод жестко, без люфтов закреплен к корпусу топливного насоса, а подвижная часть (якорь) - на тяге рейки топливного насоса. При этом электромагнит не имеет собственных трущихся поверхностей, что повышает надежность и коэффициент полезного действия. Якорь электромагнита выполнен медным проводом на корпусе.
Если обеспечить постоянную длину проводника, находящегося в зазоре магнитопровода при движении якоря, то механическое усилие не зависит от его положения и пропорционально току управления.
Кроме электромагнита, исполнителный механизм включает в себя регулятор положения, основными составными частями которого являются: усилитель мощности с датчиком; датчик положения со схемой согласования; регулятор, обеспечивающий режим позиционирования.
Датчик положения состоит из трансформаторного датчика линейных перемещении и схемы согласования, которая преобразует перемещение в сигнал постоянного напряжения, поступающий в схему управления. Эскиз датчика положения рейки топливного насоса показан на рис. З.б. Датчик положения рейки, входящий в состав исполнительного механизма, закрепляется с другой стороны топливного насоса. Такое конструктивное исполнение обусловлено необходимостью устранения помех, наводимых якорной обмоткой электромагнита на измерительную обмотку датчика.
Сердечник датчика положения, выполненный за одно целое с рейкой 5 имеет короткозамкнутую однослойную обмотку б шириной, определяемой рабочим диапазоном хода рейки. Кроме того, датчик имеет две многослойные обмотки-катушки: одна короткая измерительная обмотка 7 шириной 5 мм; другая - длинная, возбуждающая обмотка 8 шириной в зависимости от хода рейки.
Датчик работает следующим образом.
На возбуждающую обмотку 8 подается напряжение. В зависимости от положения короткозамкнутого сердечника 4 в длиной обмотке 8, в сердечнике будут наводится токи разной величины, которые вызовут разные напряжения на измерительной обмотке 7. С измерительной обмотки 7 датчика сигнал пропорциональный перемещению рейки 5 топливного насоса 3 подается на электронную часть регулятора. Датчик положения имеет линейную характеристику в широком диапазоне изменения положения рейки. Таким образом, происходит бесконтактный съем сигнала с подвижного элемента по перемещению рейки в трансформаторном датчике.
Датчик частоты вращения коленчатого вала выполнен оптоим-пульсным на базе инфракрасных свето- и фотодиодов и усилителя. Выходным сигналом с датчика является последовательность импульсов с частотой, пропорциональной частоте вращения коленчатого вала. Крепится датчик на кожухе маховика.
Задатчик нагрузки (рис. 3.7) выполнен также в виде трансформаторного датчика с сердечником, связанным механически с педалью и одновременно с рукояткой подичи топлива (тракторный вариант) либо только с педалью (автомобильный вариант). Наличие одновременно двух органов в тракторном варианте связано со спецификой работы, когда у тракториста еще множество рычагов и педалей, необходимых для управления трактором и его нависными агрегатами. Принцип работы задатчика аналогичен работе датчика положения рейки топливного насоса.
Конструктивные решения, выполненные при разработке электронного регулятора частоты вращения для управления подачей топлива, защищены автором двумя патентами [46, 47].
Исследование рабочего цикла и сажесодержания в отработавших газах дизеля 1415,0/20,5 при работе на различных топливах
Одно из главных направлений снижения сажесодержания в ОГ дизелей - совершенствование процессов смесеобразования и сгорания, которые включают просто смешивание топлива с окислителем, изменение фазового состояния и химические реакции. Условия и сам процесс смешивания, включая макрораспределение, макро- и микросмешивание, определяется взаимодействием процесса топливоподачи и движения воздушного заряда, зависит от совершенства камеры сгорания, физических свойств топлива и окислителя. Учитывая это, в данной работе были использованы следующие факторы, воздействующие на улучшение условий смесеобразования и сгорания: 1) применение керосина, смеси бензина А-76 с дизельным топливом (50%+50%); ) применение наддува; 3) уменьшение "потерянных" объемов камеры сгорания; 4) использование электронного регулятора частоты вращения.
Экспериментальные исследования рабочего цикла дизеля при различных способах снижения сажесодержания в отработавших газах позволяют: во-первых, проверить сопоставимость экспериментальных данных и теоретических исследований, а следовательно, проверить насколько теоретическая модель по определению сажесодержания в ОГ соответствует истине, а во-вторых, количественно оценить влияние на показатели рабочего цикла дизеля и на сажесодержание в отработавших газах рода топлива, наддува, совершенной камеры сгорания и электронного регулятора частоты вращения.
Перед проведением испытаний на исследуемых дизелях были сняты необходимые характеристики с серийным процессом. Полученные характеристики использовались для сравнения с результатами исследований при указанных способах улучшения условий смесеобразования и сгорания.
Одним из способов улучшения условий смесеобразования и сгорания является применение в дизелях топлив облегченного фракционного состава, имеющие более высокую испаряемость, меньшую вязкость и более высокую температуру самовоспламенения, благодаря чему к началу сгорания образуется в камере сгорания более однородная смесь, которая сгорает с меньшим содержанием сажи в отработавших газах.
Для проверки правильности теоретических расчетов по влиянию цетанового числа на сажесодержание в отработавших газах дизеля в данном исследовании были использованы керосин, смесь бензина А-76 с дизельным топливом (50%+ЮХ), дизельное топливо. Эти топлива были выбраны по следующим причинам: 1) данные топлива широко распространены в народном хозяйстве; 2) диапазон их физико-химических свойств достаточно широк, что позволяет интерполировать результаты эксперимента и на другие топлива, лежащие в этом диапазоне.
Характеристики топлив приведены в таблице 4.1.
Оптимальный угол опережения подачи топлива по "мениску" у дизеля при работе на дизельном топливе и смеси дизельного топлива с бензином А-76 (50%+50%) составляет 25...26 град п.к.в. (рис. 4.1). Учитывая, что при 8п.т.- 25 град п.к.в. меньше максимальное давление и максимальная быстрота нарастания давления, в дальнейшем скоростные и нагрузочные характеристики снимались при этом угле. Оптимальный угол опережения самовоспламенения уменьшился с 3 до 1 град п.к.в. при переходе от дизельного топлива на смесь. Это объясняется тем, что смесь дизельного топлива с бензином характеризуется повышенной температурой самовоспламенения, благодаря чему увеличивается период задержки самовоспламенения. Особый интерес при рассмотрении данной характеристики вызывает изменение сажесо-держания в отработавших газах. Во-первых, как и следовало ожидать, работа на смеси привела к снижению сажесодержания в ОГ во всем диапазоне изменения угла опережения подачи топлива в среднем на 0,08 г/м3. Это объясняется тем, что смесь дизельного топлива с бензином в указанной пропорции имеет меньшую плотность, лучше распыливается и обладает лучшей испаряемостью и при впрыске ее в камеру сгорания лучше смешивается с воздухом. Большая склонность дизельного толпива к сажесодержанию может быть объяснена высоким содержанием в нем тяжелых ароматических и нафтеновых углеводородов. Во-вторых, с уменьшением угла опережения подачи топлива са-жесодержание в ОГ увеличивается. При позднем впрыске топлива большая часть его подается в цилиндр после В.МЛ.. Процесс сгорания переносится на линию расширения и протекает в условиях увеличивающегося объема, при которых ухудшается перемешивание топлива с воздухом и увеличивается поверхность охлаждения пламени.
Применение керосина и смеси дизельного топлива с бензином А-76 (50%+50%) практически не приводит к заметному изменению удельного расхода топлива (рис. 4.2.). Динамические показатели двигателя, такие как максимальное давление и максимальная быстрота нарастания давления возросли, причем с уменьшением нагрузки разница по этим показателям увеличивается.
