Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Экологические проблемы и пути их реализации при эксплуатации дизельных энергоустановок 11
1.1 Конструктивные особенности топливоподающей системы дизелей 11
1.2 Влияние эксплуатационных показателей автотранспортных дизельных двигателей на экологическую безопасность 25
1.3 Методы и средства уменьшения вредных веществ в выбросах при эксплуатации энергоустановок 33
1.4 Анализ современных теорий и моделей процессов сгорания топлива 61
1.4.1 Простые бимолекулярные реакции 61
1.4.2 Цепные реакции образования веществ 64
1.4.3 Химические превращения при переменной температуре 67
1.4.4 Цепные разветвленные реакции 68
1.4.5 Реакции процесса холодного диффузионного горения 74
1.4.6 Многостадийный механизм химических превращений 76
1.5 Выводы. Задачи исследования 80
Глава 2 Моделирование процессов деструкции топлива и образования продуктов сгорания 82
2.1 Термодинамическая модель равновесного состояния системы топливо-воздух 82
2.1.1 Основные термодинамические закономерности, используемые при моделировании процессов деструкции топлива 82
2.1.2 Системный анализ термодинамических процессов деструкции топлива 91
2.2 Методика определения количественного и качественного состава продуктов сгорания 101
2.2.1 Топология термодинамической модели деструкции топлива и образования продуктов сгорания 101
2.2.2 Алгоритм расчета фазового равновесия систем термодинамической модели 105
2.2.3 Определение экстремальных концентраций компонентов горючей смеси 108
2.2.4 Определение уровней равного потенциала термодинамической модели 120
2.3 Выводы 130
Глава 3 Результаты исследований процессов смесеобразования и сгорания топливо-воздушной смеси 131
3.1 Анализ распределения уровней равного потенциала термодинамической модели в зависимости от значений угла опережения впрыска топлива 131
3.2 Распределение уровней равного потенциала термодинамической модели в зависимости от давления впрыска топлива 142
3.3 Моделирование и методика расчета продуктов сгорания в зависимости от режима работы дизеля 145
3.4 Выводы 146
Глава 4 Улучшение эксплуатационных показателей дизеля путем рециркуляции и фильтрации отработавших газов 147
4.1 Исследование показателей работы дизеля при применении рециркуляции отработавших газов 147
4.2 Исследование показателей работы дизеля при применении фильтрации отработавших газов 158
4.3 Результаты исследований снижения токсичности при внедрении комплексного модуля рециркуляции и фильтрации ОГ 168
4.4 Выводы 173
Глава 5 Совершенствование системы питания дизеля путем создания модульного комплекса конструкторских устройств 174
5.1 Многоцелевая унификация системы питания дизельного двигателя 174
5.2 Исследование модульного комплекса конструкторских разработок 177
5.2.1 Исследование разработанного модуля -электромеханическая муфта автоматического регулирования угла опережения впрыска топлива 177
5.2.2 Исследование разработанного модуля - разгрузочный клапан 186
5.2.3 Исследование разработанного модуля - регулятора числа оборотов 197
5.3 Комплексные исследования конструкторских разработок системы питания 208
5.4 Выводы 224
Глава 6 Методика исследований эффективности использования способов и средств улучшения эксплуатационных показателей работы дизеля 225
6.1 Методика исследований термодинамической модели процесса образования продуктов сгорания 225
6.2 Методика экспериментальных исследований показателей работы дизелей 238
6.2.1 Общая методика экспериментальных исследований 238
6.2.2 Методика экспериментальных исследований 243
Глава 7 Экономическая эффективность и рекомендации по улучшению эксплуатационных показателей работы дизелей на основе многоцелевой унификации 254
7.1 Определение эффективности внедрения модифицированного дизельного двигателя (МДД) 254
7.1.1 Определение экономии в размере платы за выбросы загрязняющих веществ при внедрении МДД 254
7.1.2 Формирование затрат на модификацию дизельного двигателя 260
7.1.3 Определение экономической эффективности внедрения МДД 262
7.2 Выводы 264
Общие выводы 265
Список использованных источников 267
Приложения 278
- Методы и средства уменьшения вредных веществ в выбросах при эксплуатации энергоустановок
- Анализ распределения уровней равного потенциала термодинамической модели в зависимости от значений угла опережения впрыска топлива
- Исследование разработанного модуля -электромеханическая муфта автоматического регулирования угла опережения впрыска топлива
- Методика исследований термодинамической модели процесса образования продуктов сгорания
Введение к работе
Актуальность проблемы. На современном этапе развития общества правомерно говорить о существовании экологической проблемы, которая по своей общественной значимости вышла на одно из первых мест. Экологический кризис представляет собой реальную опасность, поскольку в каждом регионе налицо стремительное развитие критических техногенных ситуаций, которое в значительной степени определяется эксплуатацией мобильной техники.
К концу 2005 года парк автомобильной техники насчитывал около 31 млн. автомобилей, при этом свыше 50 % парка составляют автомобили старше 10 лет, в зарубежных странах этот показатель составляет: в Европе – 28 %, в США – 41 %, в Японии – 22 %.
За 2001 – 2005 годы объем автомобильного рынка увеличился на 18 % при среднем ежегодном росте на 3,5 %. Рост автомобильного рынка в России и возраст парка ставит перед отраслью задачу увеличения выпуска автомобильной техники, отвечающей современным требованиям. Эта задача становится еще более актуальной в условиях предстоящего вступления России в ВТО. Устойчивый рост числа автомобилей, несмотря на ужесточение экологических норм, как в Российской Федерации, так и в мире, ведёт к увеличению числа выбросов токсичных веществ, в среднем в год на 3,1 %. В результате величина ежегодного экологического ущерба от функционирования транспортного комплекса России составляет более 3,5 млрд. долл. США и продолжает расти.
Всё это ставит перед отечественными изготовителями проблему серьёзного совершенствования системы питания двигателя. Успешное решение поставленной проблемы возможно только при глубоком анализе физико-химических процессов, протекающих в цилиндрах дизелей, создании новых теоретических положений и практических методов, направленных на снижение токсичных выбросов двигателей. В связи с этим, создание экологически чистых дизельных энергоустановок при обеспечении снижения расхода топливо-смазочных материалов стало преобладающей тенденцией в развитии энергетики страны.
Таким образом, актуальность решения экологических проблем автотранспорта путем совершенствования имеющихся способов улучшения эксплуатационных показателей автотранспортных дизелей и разработки новых направлений в этой сфере приобретает всё большее значение.
Целью исследований является научное обоснование и разработка методов и средств улучшения эксплуатационных показателей работы дизелей путем совершенствования системы питания.
В связи с поставленной целью сформулированы основные задачи:
– обосновать необходимость и разработать концепцию комплексного подхода улучшения эксплуатационных показателей работы дизелей путем совершенствования системы питания;
– на основе анализа физико-химических процессов, протекающих в цилиндрах дизелей, обосновать и разработать многоуровневую, иерархически организованную топологическую схему и модель процессов деструкции топлива и образования продуктов сгорания топлива;
– разработать алгоритм, методику и программное обеспечение расчета концентрации токсичных компонентов ОГ;
– создать модульный комплекс конструкторских разработок системы питания, обеспечивающий улучшение эксплуатационных показателей дизельных энергоустановок;
– провести комплексные исследования эксплуатационных показателей автотракторных дизелей при внедрении конструкторских разработок системы питания;
– разработать рекомендации по применению модульных конструкторских разработок системы питания, направленных на минимизацию токсичных выбросов дизелей;
– оценить эффективность разработанных методов и средств и дать технико-экономическую оценку их применения на конкретных дизельных энергоустановках.
Методы исследований включали: теоретический анализ и обобщение результатов предшествующих работ, математическое и физическое моделирование процессов, протекающих в системах и цилиндрах дизелей, проведение экспериментальных исследований с использованием стандартных методов и методик, современных приборов с автоматической регистрацией и применением ЭВМ. Обработка опытных данных, их графическое представление выполнялись в приложениях EXСEL-2003 и Mathlab-7. Основной объем экспериментальных работ выполнен в период 1997…2006 г.г. на дизелях Д-243, ГАЗ-544.10, ЯМЗ-236 и КамАЗ-740.
Достоверность научных положений, выводов, результатов исследований и рекомендаций обоснована выбором физических моделей, базирующихся на фундаментальных теориях горения, законах термодинамики и тепломассообмена, адекватностью результатов экспериментальных исследований, внедрением разработок автора в производство и их функционированием.
Научной новизной диссертационной работы являются следующие положения:
– концепция комплексного подхода улучшения эксплуатационных показателей работы дизелей путем совершенствования системы питания;
– многоуровневая, иерархически организованная топологическая схема и математическая модель, позволяющие определять состав продуктов сгорания дизельных энергоустановках;
– алгоритм и методика расчета концентрации токсичных компонентов в ОГ дизельных энергоустановок;
– модульный комплекс конструкторских разработок системы питания, состоящий из электронной муфты опережения впрыска топлива, системы топливоподачи дизеля с разгрузочным клапаном, электронного всережимного регулятора частоты вращения двигателя, системы рециркуляции и фильтрации отработавших газов (ОГ) двигателя, обеспечивающих улучшение эксплуатационных показателей дизельных энергоустановок.
Практическую значимость работы представляют:
– реализованные результаты диссертационной работы, позволяющие определить эффективность известных и вновь созданных модульных конструкторских разработок системы питания, направленные на повышение топливной экономичности и уменьшения токсичности работы дизелей;
– модель, методика и программа расчета состава продуктов сгорания дизельных энергоустановок, позволяющие прогнозировать экологические показатели дизеля и проводить имитационные эксперименты по оценке влияния условий сгорания топлива на токсичность ОГ;
– модульный комплекс устройств систем питания, осуществляющий принцип многоцелевой унификации дизельных энергоустановок, новизна которых подтверждена 5 патентами;
– действующая установка на базе модульных конструкторских разработок системы питания, обеспечивающих улучшение эксплуатационных показателей дизельной энергоустановки.
Реализация результатов работы осуществлена в виде разработанных программных продуктов «Программа для ЭВМ № 2006612767 рег. 04.08.2006 г. «Расчет продуктов сгорания» 1.0», «Программа для ЭВМ № 2006612989 «Расчет трудоемкости работ по техническому обслуживанию и ремонту автомобильного транспорта» 1.0» рег. 21.08.2006 г., и рекомендаций их использования, которые внедрены и используются в учебном процессе СПб ГАУ.
Результаты исследований внедрены в ОСП Автобаза СПб ГУП «Горэлектротранс», СПб ГУП «Пассажиравтотранс», ОАО «Автоарматура», ОАО «Управление механизации-1», ОАО «Механический завод», ЗАО «Опытно-экспериментальная мебельная фабрика».
На защиту выносятся перечисленные выше основные результаты, имеющие научную новизну и практическую значимость.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и одобрены на ежегодных международных научно-практических конференциях «Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей», СПб, 1997-2007 г.; на научно-техническом семинаре «Научные и практические вопросы совершенствования автономных источников систем энергоснабжения военно-строительных комплексов», СПб, 1998 г.; на постоянно действующем научно-техническом семинаре стран СНГ, СПб, 1999 г.; на IV Международной научно-практической конференции «Автомобиль и техносфера» ICATS’ 2005, Казань, 2005 г.; на IX Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы, СПб, 2005 г.; на VII международной конференции «Организация и безопасность дорожного движения в крупных городах», СПб, 2006 г.
Публикации. Результаты исследований по теме диссертационной работы изложены в 47 работах, в том числе 7 - в центральных изданиях, в 1 монографии, в 5 патентах, на 5 конференциях международного и всесоюзного уровня, 2 свидетельствах о регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 260 страницах, в том числе 200 страницах машинописного текста, 75 рисунках, 22 таблицах, 3-х приложениях и состоит из введения, 7 глав, заключения, списка литературы из 160 наименований и приложений.
Методы и средства уменьшения вредных веществ в выбросах при эксплуатации энергоустановок
В целом методы и средства снижения токсичности дизельных энергоустановок условно можно разделить на следующие направления [58].
1 Совершенствование системы питания дизеля и оптимизация параметров впускного (наддувочного) воздуха.
2 Улучшение параметров рабочего процесса дизеля и совершенствование законов топливоподачи.
3 Совершенствование системы выпуска отработавших газов, дооборудование её средствами очистки.
4 Предварительная подготовка или обработка дизельного топлива, моторного масла, применение добавок и присадок.
5 Конструктивные мероприятия, направленные на улучшение экологических показателей.
6 Оптимальные условия эксплуатации, своевременное и качественное техническое обслуживание силовых установок с ДВС.
7 Использование нетрадиционных схем энергоустановок на базе двигателей внутреннего сгорания.
Совершенствование системы впуска предполагает: применение наддува и управление температурой наддувочного воздуха; увлажнение впускного воздуха;рециркуляция ОГ (с предварительной очисткой, охлаждением, конвертацией); применение кавитационных гомогенизаторов дизельного топлива турбулизация заряда с целью получения гомогенного смесеобразования; очистка картерных газов, поступающих на впуск и т.д. Кавитационные гидродинамические гомогенизаторы хорошо зарекомендовали себя при эксплуатации дизелей на тяжёлых сортах топлива [25].
Гомогенное смесеобразование топлива с воздухом (технология HCCI или двухступенчатый впрыск) [158, 129] также является путём комплексного решения вопроса одновременного снижения выбросов сажи и оксидов азота дизелями.
Применение раздельной системы топливоподачи позволяет снизить концентрацию оксидов азота в отработавших газах дизеля на 60...70 % на режиме 0,3 Ne и выше, получить экономию топлива до 5...6 % на режимах, близких к номинальным, снизить дымность ОГ на 10...30 % [133, 129].
Совершенствование рабочего процесса представляет более широкие возможности для снижения токсичности ОГ. К основным направлениям научных разработок относят:
- впрыск воды в цилиндры;
- оптимизация состава смеси по коэффициенту избытка воздуха а;
- улучшение характеристик работы муфты опережения впрыска топлива;
- оптимизация законов подачи топлива;
- управление температурой охлаждающей жидкости и масла;
- применение систем отключения цилиндров и циклов;
- применение малотоксичных дизельных процессов;
- использование альтернативных видов топлива. Впрыск воды в цилиндры является перспективным способом, позволяющим значительно улучшить экологические показатели дизеля. В частности, результаты исследований [83, 76] показывают, что наибольшее снижение выбросов оксидов азота достигается при подаче воды в количестве 30...40 % от подачи топлива, при углах впрыскивания воды до ВМТ для дизеля и при подаче вода в количестве 0,1662 г/цикл при углах впрыскивания воды 0.. .5 после ВМТ для дизельных двигателей.
Добиться улучшения экологических показателей можно также оптимизацией коэффициента избытка воздуха. Согласно данным [16], наименьшая токсичность дизеля наблюдается при а = 1,3... 1,4, с точки зрения экологической эффективности [76] наиболее оптимален диапазон а = 2...3 при снижении топливной экономичности на 10 %, что находится в пределах технических условий для двигателя.
Стабильность работы муфты опережения впрыска топлива оказывает влияние на токсичность ОГ. Так, при снижении угла от 28 до 22 содержание оксидов азота снижается на 50...60 %. В то же время, при уменьшении запаздывания конца подачи топлива на 1 в двигателях ЯМЗ снижается содержание сажи на 10 % [134].
Совершенствование закона топливоподачи безусловно играет роль в вопросе токсичности ОГ. Исследованиями [160] доказано, что для быстроходных дизелей целесообразным уровнем максимальных давлений впрыска топлива можно считать 100... 150 МПа. Далее увеличивать его нецелесообразно, так как ухудшается динамика сгорания топлива.
Под малотоксичным дизельным процессом понимается процесс, целью которого является выход отработавших газов с минимальной токсичностью. Этого можно добиться оптимизацией процесса впуска, угла опережения впрыска и т.д. [123, 124].
Состав ОГ во многом определяется полнотой сгорания топлива и интенсивностью тепловыделения, при этом данные многочисленных исследований [27, 137, 139], показывают, что решающее влияние на процесс сгорания оказывают изменение параметров топливной аппаратуры.
Однако регулировкой топливной аппаратуры можно добиться уменьшение выброса оксида азота только на 30 %. В этой связи оптимальным является применение система автоматического управления (САУ), позволяющие формировать характеристики топливоподачи, соответствующие условиям эксплуатации транспортного средства [150]. Например, немецкая фирма «Мерседес-Бенц», используя специальные методы моделирования процессов впрыска и сгорания топлива, разработала предкамерный дизель, не уступающий по экологическим характеристикам лучшим образцам бензиновых двигателей с регулируемыми трехкомпонентными каталитическими нейтрализаторами, и ТНВД для него, способный регулировать количество впрыскиваемого топлива даже в зависимости от высоты над уровнем моря [26].
Известно что, такой способ уменьшения эмиссии твердых частиц, как увеличение угла опережения впрыска, увеличивает выбросы NOx. Избежать этого позволили высокое давление впрыска и электронное управление. Интенсификация процесса впрыска оказывает положительное влияние на эмиссию NOx [137]. Кроме того, сокращение продолжительности впрыска при его интенсификации приводит к уменьшению оптимального угла опережения впрыска топлива с точки зрения топливной экономичности и способствует уменьшению эмиссии NOx.
В последнее время ведущие зарубежные фирмы - производители топливоподающей аппаратуры (Bosch, Lucas, Diesel Kiki, Nippon Denso) внедряют новые разработки систем топливоподачи, обеспечивающих максимальное давление впрыска 160... 170 МПа и даже до 200 МПа [31,36,132]. Предпочтение отдают системам топливоподачи с насос-форсунками.
С точки зрения улучшения топливоподачи перспективной является система Common rail, в основе которой лежит поддержание высокого давления в топливной системе, совместное применение системы «Common rail» и рециркуляции отработавших газов (Toyota, Fiat, Deutz). Система «Common rail» имеет общий резервуар (называемый «rail», по существу гидроаккумулятор), где дизельное топливо находится под большим давлением, постоянно подведенным к форсункам, независимо от скоростного и нагрузочного режима работы двигателя. Такие системы могут создавать давление впрыска топлива от 1500 до 2000 атм., причем форсунке, управляемой специальными клапанами через электронный блок, может быть задан любой закон подачи топлива, т.е. цикловая подача может осуществляться в несколько приемов [154, 50]. Пилотный впрыск, когда небольшая порция топлива (1-2 мм ) впрыскивается предварительно, а основное топливо поступает с запаздыванием, влияет на пиковые температуры в цилиндре, снижая эмиссиюNOx до 28 %.
Сегодня «Common rail» реализует не только двухфазный впрыск для снижения NOx, второе поколение системы фирмы Bosch обеспечивает до пяти впрысков за один цикл. В то же время фирма «Siemens avtomotive» уже производит пьезофорсунки с системой «Common rail» для двигателей Peugeot. Пьезофорсунки обладают высоким быстродействием в сравнении с форсунками с электромагнитным клапаном.
Компания Bosch также приступает к выпуску системы впрыска топлива «Common rail» третьего поколения. Особенностью является клапаны газораспределительной системы с электромагнитным приводом и инжекторная система непосредственного впрыска на пьезоэлементах. Новая система обладает большей компактностью, точностью и быстродействием в два раза, чем предыдущая. По утверждению Bosch она способствует снижению на 20 % токсичных веществ.
Анализ распределения уровней равного потенциала термодинамической модели в зависимости от значений угла опережения впрыска топлива
Исследованиями установлено, что максимально возможный уровень, так же как и равновесный уровень функции Гиббса не достигаться в реальных условиях сгорания в дизелях. Разрешимый термодинамический уровень определяется временем, отводимым на смесеобразование и сгорание топлива.
Весь процесс сгорания в дизеле разбивается на временные интервалы: то время задержки воспламенения, Tj период возрастания температур до максимальных значений, т2 период наблюдения максимальных температур и Тз - период наблюдения температур от максимальных значений до конца такта расширения. По результатам проведенного индицирования рабочего процесса дизеля установлены значения временных интервалов т, (таблица 3.1).
Если принять время всего процесса сгорания за единицу и выразить интервалы температур в относительных единицах, то можно установить соответствие значения временного интервала т, (таблица 3.1) и временного интервала (pt (таблица 2.11), определяемого по термодинамической модели (таблица 3.2).
Время достижения множества {Zi}, определяемое по термодинамической модели равно (р} = 0,120277 усл.ед. (таблица 3.2), отвечающее существованию системы в области первого градиента до значения функции Гиббса Фр]. Соответствующее ему время, отводимое на смесеобразование в дизеле т0 равно 1,4285 (0,104957, усл.ед., п = 2400, Q = 26 град ПКВ до ВМТ, таблица 3.1, 3.2).
То есть, временной интервал т0 значительно меньше термодинамически возможного времени ф] достижения множества (Z)}, что ограничивает развитие процесса в области первого градиента равновесного уровня функции Гиббса Фрі. Таким образом, достижимое состояние будет множество {Fi}, которому соответствует уровень функции Гиббса Фд/ (координата точки х=0,186 и у=-0,1483 и значение Фд/ = -23590кДж/(кг град) на треугольнике материального баланса, рисунок 3.1) и смещает развитие процесса в направлении второго градиента (таблицы 3.3, 3.4). Время наблюдения максимальных температур цикла Ті и т2 (таблица 3.2) или основного процесса сгорания равно 0,367369 и 0,305026 усл.ед., что соответствует времени нахождения термодинамической системы в области второго и третьего градиента функции Гиббса. Временные интервалы термодинамической модели соответственно равны 0,236205 и 0,242072 усл.ед., следовательно, в рассматриваемых условиях сгорания взаимодействие активных комплексов проявляется наиболее полно, или z р2 и т2 фз и время наблюдения максимальных температур цикла или основного процесса сгорания не накладывают ограничения на развитие процесса сгорания. Поэтому термодинамически возможно достижение равновесного уровня в направлении второго и третьего градиента, однако равновесное состояние смещается из-за изменения исходного уровня функции Гиббса и достигается множество {F2} в направлении второго градиента функции, которому соответствует уровень Фц.2- Фазовое равновесное состояние в направлении второго и третьего градиентов функции Гиббса огибается и достигается состояние близкое к локальному равновесию. В направлении третьего градиента функции Гиббса достигается множество {F3}, которому соответствует уровень Фдз (координата точки х= 0,2358 и у=0,4 и значение Фд = -26637 кДж/(кг град, рисунок 3.2, 3.3).
Определяя координаты точки для установленных значений множеств {F,}, используя разработанную программу расчета, определяются составы множеств простым составлением пропорции значений временных интервалов термодинамической модели (таблицы 3.3, 3.4).
Процесс сгорания завершается на линии расширения, ему соответствует время т4 = 0,426 усл.ед., что меньше термодинамически возможного времени (р4, поэтому стабильный равновесный уровень в данной области недостижим, действительное равновесное состояние смещено в сторону множеств Рп {NO} Р12 {N20}. Достижимому равновесному состоянию соответствует множество {F/j} и равновесным уровень Фд4 (координата точки х=-0,5688 и у=-0,5467 и значение Фд3 = -3520 кДж/(кг град) (рисунки 3.4).
Анализ распределения уровней равного потенциала термодинамической модели позволяет установить зависимости изменения состава системы при заданных условиях смесеобразования и сгорания.
При увеличении угла опережения впрыска топлива по сравнению с оптимальным значением уменьшается временной интервал т2, то есть разрешимый уровень функции Гиббса Фр2 не достигается, и достижимое состояние термодинамической системы сместится в сторону третьего градиента функции Гиббса. Одновременно увеличивается интервал наблюдения максимальных температур цикла т3
Таким образом, определяя достижимый уровень равного потенциала (рисунки 3.1, 3.3, 3.5, 3.7) термодинамической модели сгорания топлива, устанавливаются возможные концентрации продуктов сгорания в зависимости от изменения угла опережения впрыскивания топлива (рисунок 3.8).
Уменьшение установочного угла опережения впрыска топлива сокращает время протекания подготовительных процессов сгорания топлива То от значений 1,43 до значений 0,95 (таблица 3.2), при этом достижимое состояние термодинамической системы сместится в сторону второго градиента функции Гиббса. Например для угла опережения впрыска 20 до ВМТ разрешимый уровень функции Гиббса в направлении градиента Фр! будет определяться множеством {Qi}, которому соответствует уровень функции Гиббса Фд/ .
Сокращается также время наблюдения максимальных температур т/ и Т2, от значений 4,15 до значений 1,066, таким образом, увеличивается продолжительность временного интервала соответствующего четвертому градиенту функции Гиббса (таблица 3.2).
Сокращение времени наблюдения максимальных температур определяет уменьшение образования оксидов азота, но при этом увеличивается количество несгоревших углеводородов (рисунок 3.6).
Разработанные алгоритм и модель расчета концентрации токсичных компонентов в ОГ дизельных энергоустановок позволяют изучить зависимость изменения концентрации токсичных компонентов в отработавших газах от скорости развития процесса сгорания топлива или условий сгорания топливо-воздушной смеси.
Исследование разработанного модуля -электромеханическая муфта автоматического регулирования угла опережения впрыска топлива
Обеспечение высоких экономических и экологических показателей автотракторных дизелей достигается изменением угла опережения впрыска в соответствии со скоростным и нагрузочным режимами работы дизеля. Существуют различные критерии оптимизации 0, выбираемые в зависимости от назначения дизеля, степени его форсировки, режимов работы, конструктивных особенностей двигателя. Наиболее важными критериями являются топливная экономичность и токсичность отработавших газов дизеля. Требования к выбору оптимальных по данным критериям значений 0 часто противоречат друг другу.
Каждому скоростному режиму работы дизеля, соответствует свое оптимальное по топливной экономичности значение угла опережения впрыскивания топлива (УОВТ). С уменьшением частоты вращения (увеличением периода времени, отводимого на процесс смесеобразования) оптимальное значение 0 снижается. При постоянной частоте вращения коленчатого вала для каждой нагрузки имеется также свое, оптимальное по топливной экономичности, значение 0 (рисунок 5.1), что связано со смещением начала впрыска топлива, учитывая длительность периода задержки его воспламенения, необходимое для того чтобы топливо, подаваемое в цилиндры, успевало своевременно сгорать, а двигатель развивал наибольшую мощность. Так, для автотракторного дизеля Д-243 при снижении частоты вращения с 2100 до 1400 мин"1 значение 0 необходимо уменьшать с 25 до 19 ПКВ до ВМТ.
Регулирование УОВТ не только увеличивает индикаторные показатели работы дизеля, но и оказывает влияние на экологические характеристики двигателя. Так уменьшение УОВТ понижает содержание NOx и СхНу, но несколько увеличивает дымность отработавших газов. Учитывая это и используя дополнительные средства, уменьшающие дымность выбросов, можно повысить экологические характеристики работы дизельного двигателя, используя устройство, позволяющее точно регулировать УОВТ.
Устройство опережения впрыска топлива размещают между валами двигателя и топливного насоса высокого давления (ТНВД). Традиционно такие устройства представляют собой механическую систему, содержащую две полумуфты и центробежные грузы, которые реагируют на изменение частоты вращения коленчатого вала двигателя. Увеличение числа оборотов двигателя за счет увеличения центробежной силы грузов обеспечивает увеличение угла опережения впрыска топлива за счет углового смещения одной полумуфты относительно другой.
Недостатком данных устройств является значительная масса центробежных грузов, что уменьшает скорость изменения угла опережения впрыска топлива, отрицательно сказывается на мощности ых и экономических параметрах двигателя, особенно, при частых изменениях частоты вращения коленчатого вала.
Улучшение эксплуатационных показателей работы дизелей путем совершенствования системы питания и создания комплекса электромеханических конструкторских устройств, включающего в себя муфту автоматического регулирования угла опережения впрыска топлива (УОВТ), разгрузочный клапан и регулятор частоты вращения, и модульный комплекса рециркуляции и фильтрации ОГ. Использование модульного комплекса системы питания направлено на оптимизацию характеристик работы дизельного двигателя в соответствии со скоростным и нагрузочным режимами его работы.
На сегодняшний день запатентованы и получили распространение муфты автоматического изменения УОВТ без центробежных грузов, содержащие электромеханические приводы. Работу таких устройств обеспечивают электронные системы управления, получающие сигналы управления от датчиков частоты вращения вала, нагрузки и т.п.
Модульное устройство [105], электромеханическая муфта автоматического регулирования УОВТ (рисунок 5.2) содержит корпус 1, в котором закреплена ведущая полумуфта 2 со шлицами, размещены ведомая полумуфта 3 со шлицами, подпружиненная и подвижная в осевом направлении втулка 4 со шлицами и электромагнитная катушка 10 с возможностью взаимодействия с втулкой 4.
Ведомая полумуфта связана с ведущей полумуфтой через втулку посредством шлицевых соединений 5 и 6. Втулка установлена с возможностью углового поворота. Все шлицы на втулке и полумуфтах выполнены косыми с одинаковым углом наклона в сторону вращения. Полая электромагнитная катушка установлена с возможностью размещения в ней, по меньшей мере, свободной части втулки. Ведомую полумуфту закрепляют на конусе кулачкового вала 5 ТНВД.
Электромагнитная катушка используется в качестве единственного привода, воздействующего на подвижную втулку, что позволяет уменьшить вес и габариты муфты, дает возможность регулировать УОВТ при исключении какого-либо промежуточного рабочего тела, тем самым сокращает длительность цикла регулирования, уменьшает инерционность самого процесса регулирования и упрощает конструкцию в целом. Втулка является сердечником электромагнита.
Установка втулки с возможностью углового поворота и выполнение на внутренней и внешней поверхности втулки и сопряженных с ними поверхностях полумуфт шлицов с одинаковым углом наклона в сторону вращения дают возможность ведомой полумуфте повернуться относительно ведущей полумуфты на двойной угол наклона шлицов. Поворот ведомой полумуфты на двойной угол позволяет уменьшить одновременно и угол наклона шлицов, и величину осевого перемещения втулки, что увеличивает точность изменения УОВТ при меньшем линейном перемещении втулки и уменьшает габариты муфты. Отсутствие дополнительных кинематических устройств увеличивает точность изменения УОВТ за счет большей пропорциональности зависимости силы воздействия магнитного поля от величины подаваемого на катушку тока.
Электромагнитная катушка, втягивая подвижную втулку, обеспечивает одновременно и осевое перемещение, и поворот ее относительно ведущей полумуфты на угол, определяемый углом косых шлицов и величиной продольного перемещения подвижной втулки, которое, в свою очередь, определяется величиной подаваемого на соленоид тока от блока управления. При этом ведомая полумуфта поворачивается на двойной угол относительно ведущей полумуфты из-за углового смещения, возникающего при осевом перемещении подвижной втулки по соответствующим шлицам ведомой полумуфты. Это дает возможность осуществлять быструю автоматическую регулировку УОВТ при изменении числа оборотов двигателя без фактических замеров величины этого угла и величины нагрузки.
Конические поверхности скольжения между полумуфтами и между корпусом муфты и центрирующей пробкой позволяют устранить радиальные биения корпуса муфты, обеспечивая равномерный электрический контакт между неподвижным контактом и токоприемником. Постоянство зазора между подвижными деталями муфты обеспечивает регулирующая шайба, а жесткость конструкции — промежуточная втулка, по которой перемещается свободный конец подвижной втулки.
Блок управления (рисунок 5.3) представляет собой управляемый выпрямитель переменного напряжения, которое предварительно формируется преобразователем 18 постоянного напряжения из напряжения, используемого для питания электрооборудования автомобиля, которое подается на вход А.
Сигнал, требуемый для управления выпрямителем, формирует частотно-аналоговый преобразователь 19 от датчика положения коленчатого вала 17 (ДГЖВ), который определяет частоту вращения коленчатого вала двигателя по зубчатой шкале, размещенной на шкиве коленчатого вала двигателя или непосредственно на корпусе самой муфты.
Методика исследований термодинамической модели процесса образования продуктов сгорания
В основе программного комплекса лежит разработанный метод совершенствования рабочего процесса двигателя и топливной аппаратуры. Для реализации этого метода написана управляющая программа «Моделирование», которая взаимодействует с вычислительным сервером MatLab и базой данной для хранения результатов (рисунок 6.1).
Разработанная модель физико-химических процессов образования продуктов сгорания переведена на алгоритмический язык, разработаріьі пользовательские интерфейсы программы.
Программа «Моделирование» предназначена для управления процессом моделирования, установки начальных значений процесса, управления результатами вычислительного эксперимента. Программа разработана в среде Borland Delphi 2006 и имеет механизмы взаимодействия с другими элементами программного комплекса: механизм BDE для доступа к базе данных и механизм СОМ для управления сервером MatLab.
В качестве вычислительного сервера используется один из наиболее мощных и универсальных пакетов прикладных вычислительных программ MatLab фирмы MathWorks. Спектр численных методов математического анализа, которые реализованы в пакете MatLab, весьма широк и охватывает методы численного интегрирования, интерполяции и приближения функций, линейной алгебры, решения систем нелинейных уравнений и обыкновенных дифференциальных уравнений, уравнений математической физики, задач оптимизации, нечеткой логики и др. Пакет MatLab обладает хорошо развитыми возможностями интерпретации двумерных и трехмерных массивов данных. В программном комплексе используются функции MatLab для решения задачи линейного программирования (функция linprog), метод интерполяции функции и другие функции (рисунок 6.2).
В разработанном программном комплексе используется кубическая интерполяция сплайнами при помощи функции interp2. Сплайн-интерполяция используется для представления данных отрезками полиномов невысокой третей степени. При этом кубическая интерполяция обеспечивает непрерывность первой и второй производных результата интерполяции в узловых точках. Из этого вытекают следующие свойства кубической сплайн-интерполяции:
- график кусочно-полиномиальной аппроксимирующей функции проходит точно через узловые точки;
- в узловых точках нет разрывов и резких перегибов функции;
- благодаря низкой степени полиномов погрешность между узловыми точками обычно достаточно мала;
- связь между числом узловых точек и степенью полинома отсутствует;
- поскольку используется множество полиномов, появляется возможность аппроксимации функций с множеством пиков и впадин.
База данных обеспечивает хранение как промежуточных, так и окончательных результатов моделирования. Для доступа к данным используется механизм BDE, однако предусмотрена возможность использования других механизмов (например SQLlink, ODBC и др.).
Такая структура позволяет полностью автоматизировать процесс моделирования процессов образования продуктов сгорания, лежащий в основе программного комплекса.
Управление программным комплексом осуществляется через программу «Моделирование». После запуска программы появляется заставка с указанием названия, версии программы, а также знаком охраны авторского права (рисунок 6.3).
Для работы с программой необходимо щелкнуть мышкой по заставке в любом ее месте — заставка исчезнет.
Интерфейс программы реализован в виде страничных закладок. Каждая из закладок предназначена для решения промежуточного шага метода моделирования.
Основные расчеты выполняются последовательно в следующих закладках:
1. «Элементный состав смеси»;
2. «Исходное состояние системы»;
3. «АвтоРасчет»;
4. «Комплекс»;
5. «Энергия Гиббса»;
6. «Графические инструменты». Рассмотрим подробнее каждую из этих закладок.
Перед началом моделирования необходимо указать химические элементы, присутствующие в смеси, а также определить их процентный состав из расчета 100 %. Для этого предусмотрена закладка «Элементный состав смеси» (рисунок 6.4). Эти данные являются исходным состоянием системы.
Добавление элемента осуществляется нажатием кнопки «Добавить элемент». Ошибочно введенный элемент можно удалить из таблицы нажатием кнопки «Удалить элемент». Для изменения введенных данных необходимо нажать кнопку «Сохранить».
Далее, необходимо в закладке 2 «Исходное состояние» определить вещества, исследуемые в системе, а также установить температуру Т и давление Р, при которой происходят процессы образования продуктов сгорания (рисунок 6.5).
Процесс рассматривается при постоянных объеме и температуре и заданном числе атомов - С, Н, N, О. Для добавления вещества в систему необходимо нажать кнопку «Новый» и в появившемся окне ввести английскими буквами химическое название вещества. Здесь же можно проставить условный номер узла L в многоугольнике состояния.
