Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Процессы распыливания топлива и смесеобразования транспортных дизелей 11
1.1. Показатели топливной экономичности и токсичности отработавших газов современных транспортных дизелей 11
1.2. Улучшение качества процессов распыливания топлива и смесеобразования дизелей путем совершенствования конструкции распылителей форсунок 24
1.3. Улучшение качества процессов распыливания топлива и смесеобразования дизелей путем применения водотопливных эмульсий 36
1.4. Цель работы и задачи исследования 49
ГЛАВА 2. Расчетные исследования течения топлива в распылителях дизельных форсунок с различной геометрией проточной части 51
2.1. Опытные распылители дизельных форсунок и их влияние на показатели дизеля 51
2.2. Программные комплексы для моделирования течения топлива в проточной части распылителя форсунки 69
2.3. Моделирование течения топлива в распылителях форсунок с различной геометрией проточной части 80
2.4. Основные результаты и выводы по второй главе 86
ГЛАВА 3. Расчетные исследования течения топлива в распылителях форсунок дизеля, работающего на водотопливных эмульсиях 89 Стр.
3.1. Физико-химические свойства нефтяных дизельных топлив и водотопливных эмульсий 89
3.2. Моделирование течения топлива в распылителях форсунок дизеля, работающего на нефтяных дизельных топливах и водотопливных эмульсиях 96
3.3. Основные результаты и выводы по третьей главе 103
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования дизеля, работающего на эмульгированных топливах 106
4.1. Анализ возможности использования в дизелях эмульгированных топлив различного состава 106
4.2. Испытания дизеля на эмульсиях нефтяного дизельного топлива и воды 109
4.3. Методика оптимизации состава эмульгированного топлива и проведение оптимизационных расчетов 126
4.4. Основные результаты и выводы по четвертой главе 138
Основные выводы и заключение 141
Список литературы
- Улучшение качества процессов распыливания топлива и смесеобразования дизелей путем совершенствования конструкции распылителей форсунок
- Программные комплексы для моделирования течения топлива в проточной части распылителя форсунки
- Моделирование течения топлива в распылителях форсунок дизеля, работающего на нефтяных дизельных топливах и водотопливных эмульсиях
- Методика оптимизации состава эмульгированного топлива и проведение оптимизационных расчетов
Введение к работе
Актуальность диссертационной работы обусловлена необходимостью улучшения показателей токсичности отработавших газов (ОГ) дизелей и их топливной экономичности. Решение проблемы улучшения названных показателей возможно с использованием различных методов, среди которых одним из наиболее эффективных является совершенствование процессов распыливания топлива и смесеобразования, обеспечивающее равномерное распределение испарившегося топлива по объему цилиндра и наиболее полное сгорание топлива с наибольшей эффективностью рабочего цикла. Улучшение качества протекания этих процессов может быть достигнуто путем совершенствования конструкции системы топливоподачи и, в особенности, конструкции форсунок и их распылителей, которые и предопределяют параметры указанных процессов. Другим направлением улучшения качества указанных процессов является обеспечение работы двигателя на водотопливных эмульсиях (ВТЭ). Использование ВТЭ позволяет не только повысить качество смесеобразования за счет быстрого испарения капель воды из эмульгированного топлива и, соответственно, быстрого распада струй топлива в камере сгорания дизеля, но также и снизить максимальные температуры сгорания, что обеспечивает уменьшение выброса наиболее значимого токсичного компонента ОГ дизелей – оксидов азота.
Для исследования влияния конструкции распылителей форсунок и применения водотопливных эмульсий на процессы распыливания топлива и смесеобразования необходимо проведение комплекса расчетно-экспериментальных исследований по оптимизации конструкции распылителей форсунок и состава водотопливных эмульсий. Результаты этих исследований позволят достичь требуемых показателей токсичности ОГ и топливной экономичности транспортных дизелей.
Цель работы: улучшение показателей транспортного дизеля путем совершенствования процессов распыливания топлива и смесеобразования.
Методы исследований. Поставленная в работе цель достигается сочетанием теоретических и экспериментальных методов. С помощью теоретических методов проведены расчетные исследования параметров потока топлива в проточной части распылителей форсунок, а также оптимизационные расчеты состава водотопливной эмульсии. Экспериментальная часть работы заключалась в определении показателей дизеля, работающего на ВТЭ.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработана методика расчета показателей потока топлива в проточной части распылителей дизельных форсунок;
разработаны конструкции распылителей форсунок, обеспечивающих улучшение качества процессов распыливания топлива и смесеобразования, показателей токсичности отработавших газов дизелей и их топливной
экономичности;
- разработана методика оптимизации состава водотопливной эмульсии с
учетом показателей токсичности отработавших газов.
Достоверность и обоснованность научных положений определяются:
- использованием современных методик расчета показателей потока
топлива в проточной части распылителей форсунок и параметров процессов
распыливания топлива и смесеобразования дизеля;
- использованием современных методик оптимизации состава
водотопливной эмульсии;
- совпадением результатов расчетных и экспериментальных исследований,
полученных при испытаниях на развернутом двигателе.
Практическая ценность состоит в том, что:
разработанная методика расчета показателей потока топлива в проточной части распылителей дизельных форсунок и проведенные расчетные исследования позволили оценить влияние конструкции распылителей форсунок на параметры процессов распыливания топлива и смесеобразования;
проведенные с использованием разработанной методики расчетные исследованияй показателей потока топлива в проточной части распылителей форсунок дизеля, работающего на водотопливных эмульсиях, позволили оценить влияние состава эмульсии на параметры процессов распыливания топлива и смесеобразования;
проведенные экспериментальные исследования дизеля, работающего на водотопливных эмульсиях, подтвердили эффективность их использования для улучшения показателей токсичности отработавших газов дизеля и его топливной экономичности;
разработанная методика оптимизации состава водотопливной эмульсии с учетом показателей токсичности отработавших газов дизеля и проведенные оптимизационные расчеты позволили сформулировать практические рекомендации по выбору состава водотопливной эмульсии.
Реализация результатов работы. Работа проводилась в соответствии с планами госбюджетных и хоздоговорных работ кафедр «Поршневые двигатели» (Э-2) и «Теплофизика» (Э-6) МГТУ им. Н.Э. Баумана, а также лаборатории «Автоматика» НИИЭМ МГТУ им. Н.Э. Баумана. Результаты исследований внедрены в ГТУ «МАДИ» и в ЗАО «Форант-Сервис» (г. Ногинск).
Апробация работы:
Диссертационная работа заслушана и одобрена на заседании кафедры «Поршневые двигатели» в МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2015 г. По основным разделам диссертационной работы были сделаны доклады:
на международной научно-технической конференции «6-е Луканинские чтения. Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе», 4 февраля 2013 г., Москва, ГТУ «МАДИ» (Москва, 2013);
на международной научно-технической конференции «7-е Луканинские
чтения. Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе», 2 февраля 2015 г., Москва, ГТУ «МАДИ» (Москва, 2015); - на Всероссийском научно техническом семинаре (ВНТС) им. проф. В.И. Крутова по автоматическому управлению и регулированию теплоэнергетических установок при кафедре «Теплофизика» (Э-6) МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2011-2014 г.г., Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных статей, в том числе 12 из них опубликованы в журналах, включенных в перечень рецензируемых ведущих научных журналов и изданий. Также по теме диссертации опубликовано 6 материалов конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы 165 страниц, включая 160 страниц основного текста, содержащего 47 рисунков, 16 таблиц. Список литературы содержит 190 наименований на 21 странице.
Улучшение качества процессов распыливания топлива и смесеобразования дизелей путем совершенствования конструкции распылителей форсунок
Монооксид углерода (угарный газ) CO присутствует в атмосфере в малых количествах, а в ОГ ДВС его содержание может быть значительным (в бензиновых двигателях – до 12%) [77]. Дизели отличаются сравнительно небольшой концентрацией этого токсичного компонента в ОГ, не превышающей 0,4-0,5%. По сравнению с диоксидом СO2 монооксид углерода CO менее стабилен. Время его существования в атмосфере составляет 2-42 месяца. Монооксид углерода – неполного окисления топлива. В КС дизеля CO образуется из-за неравномерного распределения топлива в зоне горения, что приводит к возникновению зон с низким коэффициентом избытка воздуха a, где наблюдается недогорание топлива. Другим источником образования CO являются высокотемпературные зоны КС, в которых химическое равновесие смещено в сторону диссоциации CO2 с образованием CO и O2 [64, 77].
Легкие газообразные углеводороды CHx ОГ дизелей относятся, в основном, к парафиновым (метан CH4, этан C2H6, пропан C3H8, бутан С4Н10) и олефиновым углеводородам (этилен C2H4, пропилен C3H6, бутилен С4Н8). В бензиновых двигателях на долю метана приходится 14-58% от общего содержания в ОГ несгоревших углеводородов, а в дизелях – 2-6% [77]. Другие углеводороды присутствуют в ОГ дизелей в меньших количествах. Углеводороды образуются при термическом распаде топлива в ядре и в переднем фронте факела, на топливной пленке на стенках КС и в результате подвпрыскивания топлива. Одна из основных причин образования CHx – наличие холодных пристеночных слоев в КС. В процессе сгорания топлива пламя распространяется к стенке, от которой отводится теплота, и радикалы, образовавшиеся при горении, рекомбинируются на холодных стенках. В результате в пристеночных холодных слоях КС толщиной 0,005-0,3 мм остаются углеводородные частицы из нагретого, не до конца сгоревшего топлива. Другая причина образования CHx – наличие в КС зон с низким коэффициентом избытка воздуха a, в которых остаются несгоревшие углеводороды.
Важнейшим токсичным компонентом ОГ дизелей являются твердые частицы (ТЧ) – вещества, улавливаемые специальным фильтром при прохождении через него ОГ [26, 77]. Они состоят из растворимых и нерастворимых в органических растворителях фракций. Первые содержат несгоревшие частицы топлива и моторного масла. Нерастворимые составляющие ТЧ включают сажу, сульфаты, образующиеся при сгорании серы, имеющейся в топливе, и оксиды металлов, добавляемых в топливо и масло в качестве присадок. Но главный компонент ТЧ – сажа, которая, в свою очередь, состоит в основном из углерода С (95-98%). Частицы сажи представляют собой пористые формирования углерода С и имеют линейные размеры 0,1-100 мкм (преимущественно от 0,2 до 1,0 мкм). Наличие сажи в ОГ дизелей приводит к потере их прозрачности (увеличению оптической плотности) и появлению черного дыма. Оптическая плотность ОГ зависит от количества и размеров частиц сажи. Видимое дымление соответствует содержанию сажи в ОГ, большему 0,1 г/м3.
Механизм образования сажи – это последовательность процессов термического разложения топлива, образования активных углеводородных частиц в пламени, роста ядер сажи, агломерации частиц и окисления сажи. Поэтому содержание сажи в ОГ является результатом протекания двух определяющих процессов – ее образования и окисления. Сажеобразование в дизелях зависит, в первую очередь, от коэффициента избытка воздуха, а также от особенностей смесеобразования, свойств топлива, температуры и времени сгорания. Повышенное содержание сажи в ОГ дизеля имеет место на переходных режимах работы дизеля (что связано с недостатком воздуха, вызванным инерционностью системы воздухоснабжения дизеля с турбонаддувом), а также на режимах с пониженной частотой вращения и полной нагрузкой, характеризуемых низким давлением наддувочного воздуха и ухудшением качества распыливания топлива [26, 33, 77].
Токсические свойства сажи обусловлены не углеродом, а присутствием на ней канцерогенных полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). В ОГ дизелей обнаружено более 20 различных ПАУ. Их основой является структура, называемая бензольным ядром, содержащая шесть атомов углерода, соединенных в кольцо, с тремя одинарными и тремя двойными связями. Некоторые ПАУ, кроме бензольного ядра, имеют одну или несколько боковых цепей. В ОГ дизелей содержатся, в основном, углеводороды, в молекулы которых входят две, три и четыре кольцевые структуры и 12-20 атомов углерода [26, 77]. Наиболее опасен среди них бенз(а)пирен C20H12, являющийся индикатором присутствия в ОГ и других ПАУ. Эти углеводороды либо непосредственно переходят из топлива в ОГ, либо образуются в КС в результате термического разложения (пиролиза) тяжелых фракций топлива в зонах с недостатком кислорода. В КС дизеля ПАУ адсорбируются на частицах сажи и удерживаются ими.
Среди других токсичных компонентов ОГ можно отметить альдегиды RCHO и диоксид серы SO2. [26, 77]. Альдегиды образуются в КС при протекании предпламенных реакций и, особенно, – при низких температурах в КС. Но они обладают большой реакционной способностью и почти полностью выгорают при высоких температурах в КС дизеля. Поэтому максимальные концентрации альдегидов в ОГ отмечаются при работе дизеля на режимах пуска и малых нагрузок. Среди альдегидов наиболее значимы формальдегид HCHO и акролеин СH2CHCHO. Образование диоксида серы SO2 в КС дизеля обусловлено содержанием в топливе серы и ее соединений (элементарной серы S, сероводорода H2S, меркаптанов RSH и др.). При высокой температуре и избытке кислорода они сгорают с образованием оксидов серы SO2 и SO3.
Рассмотренные компоненты ОГ дизелей обладают выраженными токсикологическими свойствами, вызывают тяжелые заболевания человека, оказывают негативное влияние на сельскохозяйственные растения и животных. Поэтому вводятся ограничения на их выбросы с ОГ. Нормы на токсичность ОГ, принятые во многих странах, устанавливают максимально допустимые удельные массовые выбросы токсичных веществ (NОx, CO, CHx, ТЧ). В России, кроме ранее действующих норм (ОСТ 37.001.234-81, ОСТ 37.001.054-86), введены и общеевропейские нормы на токсичность ОГ транспортных дизелей. Эти нормы ограничивают эмиссии NOx, CO, CHx, ТЧ (Таблица 2, 3) [26, 77]. Введены ограничения и на дымность ОГ (Правила ЕЭК ООН R 24 - 03, Таблица 4) [26, 77].
В разных странах применяются различные методы контроля токсичности и дымности ОГ. Они отличаются программами испытаний, моделирующими режимы работы дизеля, а также применяемой измерительной аппаратурой и методиками отбора проб. При оценке токсичности ОГ используют два принципиально различных метода исследований: испытания на установившихся режимах с постоянными параметрами двигателя и испытания на переходных режимах при изменении указанных параметров.
Программные комплексы для моделирования течения топлива в проточной части распылителя форсунки
Распылитель на Рис. 2.1,в позволяет улучшить качество смесеобразования за счет столкновения струй топлива, формируемых смежными распыливающими отверстиями, пересекающимися под углом . Этот угол обеспечивает столкновение струй друг с другом на расстоянии около 10 мм от поверхности носка распылителя [176]. Распылитель содержит корпус 1 с цилиндрической полостью 2, конической запорной поверхностью 3, носком распылителя 4, подыгольной полостью 5 и несколькими распыливающими отверстиями 6, 7, выполненными попарно и расположенными равномерно по поверхности носка распылителя. При этом оси распыливающих отверстий 6, 7 расположены в плоскости, проходящей через ось корпуса распылителя. Входные кромки 8, 9 распыливающих отверстий 6, 7 расположены на конической запорной поверхности 3 корпуса 1 распылителя. Игла 10 распылителя подпружинена пружиной к корпусу 1 и имеет коническую поверхность 11 и коническую запорную часть 12, сопрягающуюся с конической запорной поверхностью 3 корпуса 1 распылителя. При впрыскивании топливо от ТНВД по нагнетательному топливопроводу подается к форсунке и по каналам, выполненным в корпусе 1, поступает в цилиндрическую полость 2 и воздействует на коническую поверхность 11 иглы 10. В результате игла 10 поднимается вверх, между конической запорной частью 12 иглы и конической запорной поверхностью 3 корпуса 1 распылителя образуется кольцевая щель, по которой топливо поступает к входным кромкам 8 и 9 распыливающих отверстий 6 и 7, по которым оно впрыскивается в КС дизеля. При этом струи дополнительно турбулизуются и образуется одна общая струя большего объема. Причем, длина этой струи несколько меньше струи, формируемой одним распыливающим отверстием, имеющим эффективное проходное сечение, равное сумме проходных сечений распыливающих отверстий 6 и 7. Еще ряд конструкций распылителей, обеспечивающих повышенную турбулизацию потока топлива в своей проточной части, показаны на Рис. 2.3 [73]. Вариантом конструктивного выполнения распылителя, представленного на Рис. 2.1,в, является конструкция, показанная на Рис. 2.3,а. Этот распылитель имеет смежные распыливающие отверстия, выполненные под углом друг относительно друга [73]. Но в отличие от распылителя на Рис. 2.1,а выходные кромки этих распыливающих отверстий образуют общую выходную кромку для этой пары распыливающих отверстий. При этом входные кромки первого распыливающего отверстия каждой пары отверстий расположены на конической запорной поверхности корпуса распылителя, а входные кромки второго отверстия – в подыгольной полости (в колодце распылителя). Столкновение и турбулизация потоков топлива, формируемых смежными распыливающими отверстиями, происходит в общем выходном сечении этих распыливающих каналов и при истечении общей струи топлива.
Конструктивные варианты распылителей, обеспечивающих совершенствование процесса распыливания топлива: а – с пересекающимися распыливающими отверстиями; б – с единым распыливающим отверстием с входной кромкой, располагающейся одновременно и на конической запорной поверхности корпуса распылителя, и в подыгольной полости; в – с пересекающимися распыливающими отверстиями и с профилированной проточкой, выполненной на изле распылителя
Вариант распылителя, представленный на Рис. 2.3,б есть частный случай распылителя на Рис. 2.3,а. Действительно, если оси парных распыливающих отверстий (Рис. 2.3,а) сольются, то получится конструкция, изображенная на Рис. 2.3,б. В этом случае, входная кромка единого распыливающего отверстия располагается одновременно и на конической запорной поверхности корпуса распылителя, и в подыгольной полости. Причем, в этом случае входу в распыливающее отверстие соответствует область с наибольшей турбулизацией потока топлива.
Дальнейшим совершенствованием конструкции распылителя на Рис. 2.3,а является распылитель, показанный на Рис. 2.3,в. На запирающей конической поверхности иглы этого распылителя выполнена профилированная кольцевая проточка, которая обеспечивает турбулизацию потоков топлива, поступающих в распыливающие отверстия, одно из которых выполнено с выходом на коническую запорную поверхность корпуса распылителя, а второе – с его выходом в подыгольную полость (в колодец распылителя).
Представленными на Рис. 2.1 и Рис. 2.3 конструктивными вариантами распылителей не исчерпываются возможные пути совершенствования конструкции распылителей форсунок. В работах [73, 82, 87, 107, 109, 127] показано, что более простым способом увеличения потока топлива в проточной части распылителя форсунки является выполнение дополнительных гидравлических сопротивлений на хвостовике иглы распылителя форсунки, как это выполненор, например, в распылителе на Рис. 2.3,в.
В МГТУ им. Н.Э. Баумана при участии автора диссертации предложено несколько конструкций распылителей, в которых дополнительные гидравлические сопротивления выполнены на хвостовике иглы распылителя форсунки [48, 87, 109]. Для оценки влияния таких гидравлических сопротивлений на показатели процессов распыливания топлива и смесеобразования, а также на показатели токсичности ОГ и топливной экономичности дизеля типа Д-245.12С разработано и изготовлено несколько опытных распылителей на базе серийного распылителя типа 145.1112110-11 производства Ногинского завода топливной аппаратуры (НЗТА). Эти распылители используются в форсунках ФДМ-22 дизелей типа Д-245.12С (4ЧН11/12,5) производства Минского моторного завода (ММЗ), устанавливаемых на автомобили ЗиЛ-5301 «Бычок», тракторы «Беларусь», автобусы Павловского автобусного завода (ПАЗ). Серийный распылитель 145.1112110 выполнен с пятью распыливающими отверстиями диаметром dр=0,32 мм, входные кромки которых расположены в колодце распылителя диаметром dк=1,2 мм (Рис. 2.4). Диаметр распыливающих отверстий равен dр=0,32 мм (его длина lр=0,90 мм), а суммарная эффективная площадь распылителя в сборе – mрfр=0,278 мм2. Расположение распыливающих отверстий серийного распылителя типа 145.1112110-11 приведено в табл. 7.
Моделирование течения топлива в распылителях форсунок дизеля, работающего на нефтяных дизельных топливах и водотопливных эмульсиях
Как показано выше, для обеспечения качественного распыливания топлива и последующего смесеобразования желательно обеспечить повышенные давления впрыскивания и турбулизацию потока топлива в проточной части распылителя форсунки. Повышенные энергетические показатели потока топлива на выходе из распыливающих отверстий приводит к турбулизации струи распыливаемого топлива, ее быстрому распаду в КС дизеля и улучшению показателей распыливания и смесеобразования. Однако экспериментальные исследования потока топлива в элементах системы топливоподачи достаточно трудоемки и требуют применения специальных стендов и высокоточной измерительной аппаратуры [25, 26, 78]. Для определения энергетических показателей потока топлива в проточной части распылителей форсунок использован расчетный метод, основанный на использовании ПК Ansys CFX 12.0, описанного в разделе 2.2 диссертации и в работах [48, 87, 109]. Исследовано течение топлива в проточной части серийного распылителя 145.1112110 форсунки типа ФДМ-22 упомянутого выше дизеля типа Д-245.12С при его работе на нефтяном ДТ и эмульгированном топливе, содержащем 85% нефтяного ДТ и 15% воды. Расположение распыливающих отверстий распылителя типа 145.1112110 приведено в Таблице 7. Схема расположения дросселирующих сечений исследуемого серийного распылителя форсунки и геометрические характеристики струи распыливаемого топлива представлены на Рис. 2.4 и Рис. 2.5,а. Физико-химические свойства исследуемых топлив даны в Таблице 12. свойства не определялись или не приведены; для смеси ДТ и воды указано объемное процентное содержание компонентов; вязкость эмульсии определена по формуле Тейлора Справочные данные по физико-химическим свойствам исследуемых топлив взяты из работ [10, ПО, 126]. При расчете теплоемкости и теплопроводности эмульсии принималось, что в смесях эти физические свойства компонентов аддитивны. Вязкость эмульсии определялась по формуле Тейлора в виде [ПО, 126]: где [1дт, цв, цэ - динамическая вязкость дизельного топлива, воды и эмульсии; Св - объемное содержание воды в эмульсии (объемная доля).
Для последующих экспериментальных исследований определены еще некоторые физико-химические свойства эмульгированных топлив. При нахождении низшей теплоты сгорания молекулярная масса воздуха. Расчётные исследования проведены в ПК Ansys CFX 12.0, содержащем уравнения в частных производных, описывающих поток топлива в проточной части распылителя – уравнения неразрывности, количества движения Навье-Стокса, энергии и диффузии, а также уравнения модели турбулентности. Влияние турбулентности на характеристики течения топлива в рассматриваемом случае очень велико, поэтому в систему уравнений введена модель турбулентности k-, включающая в себя уравнения, которые наиболее точно описывают рассматриваемые явления. Причем, k – кинетическая энергия турбулентности определяется как разность во флуктуациях скорости, м2/с2, – это турбулентная диссипация вихря (показатель при котором пульсации скорости рассеиваются), м2/с3. Для оценки степени турбулизации потока использовалась величина указанной турбулентной кинетической энергии k, характеризующей среднеквадратическую флуктуацию (пульсацию) скорости в соответствии с выражением (2.9) второй главы диссертации.
При расчетах исследован стационарный поток топлива в распылителях. В качестве расчётной области выбрана проточная часть между хвостовиком иглы и седлом распылителя при максимально поднятой игле. Общий вид расчетной схемы представлен на Рис. 2.10.
Как и при расчетах, проведенных в разделе 2.3 диссертации давление топлива на входе в расчетную область было принято равным 51,5 МПа, что примерно соответствует максимальному давлению впрыскивания, обеспечиваемому разделенной системой топливоподачи дизеля типа Д 245.12С на номинальном режиме (при n=2400 мин-1 и цикловой подаче топлива qц=80 мм3). Расход топлива через распылитель принят равным 0,08 кг/с. При расчетах граничные условия оставались неизменными для обоих видов исследуемых топлив (для ДТ и ВТЭ).
В ряде работ показано, что на характеристики течения топлива в элементах системы топливоподачи и показатели рабочего процесса дизеля и его систем оказывает структура водотопливной эмульсии [4, 5]. В связи с этим расчетные исследования проведены для ВТЭ с диаметром капель воды в эмульсии 50 и 5 мкм. Полученная при расчетных исследованиях картина течения топлива в проточных частях исследованных распылителей (распределение давлений и скоростей потока топлива, а также распределение его турбулентной кинетической энергии) представлена на Рис. 3.3, 3.4 и
Представленная картина течения в проточных частях исследованных распылителей, представленная на указанных рисунках, показывает, что характер течения топлива в трех рассматриваемых случаях, достаточно близок. По распределениям давлений, скоростей и турбулентной кинетической энергии потока топлива можно констатировать, что существуют различия указанных распределений энергетических характеристик потока топлива в распылителе при работе на исследуемых видах топлива, но эти различия не носят глобального характера. Во всех рассматриваемых случаях наибольшие скорость и турбулизация потока топлива отмечены в районе кольцевой щели между иглой распылителя и ее посадочным конусом (седлом). Но наибольший интерес представляют параметры потока на входе в распыливающие отверстия, которые и предопределяют качество распыливания топлива и последующего смесеобразования. На Рис. 3.6 эта область отмечена кружком.
Результаты анализа параметров потока исследуемых видов топлив в указанной на Рис. 3.6 расчетной точке сведены в Таблицу 13. Эти данные свидетельствуют о том, что при использовании эмульгированных топлив наблюдаются максимальные давления топлива на входе в распыливающие отверстия. При переходе от нефтяного ДТ на ВТЭ с 15%-ным содержанием воды это давление увеличилось с 47,6 до 47,8-47,9 МПа (в зависимости от диаметра капель). Впрочем, следует отметить, что в рассматриваемом случае структура эмульсии – диаметр капель воды в эмульсии оказывает слабое влияние на характеристики течения топлива. Хотя увеличение давления в расчетной точке оказалось и не очень значительным, но и этот рост давления впрыскивания способствует более качественному распыливанию топлива.
Методика оптимизации состава эмульгированного топлива и проведение оптимизационных расчетов
В Европе дизели грузовых автомобилей грузоподъемностью более 3,5 тонн (для автобусов с числом посадочных мест свыше 9) до 2000 г. испытывались в стендовых условиях на установившихся режимах, соответствующих режимам 13-режимного цикла ЕСЕ R49 (Рис. 4.12,г). Этот испытательный цикл включает 13 установившихся режимов: три режима холостого хода с минимальной частотой вращения n=0,25-0,3 nном (всего 25% времени работы), пять нагрузочных режимов (10, 25, 50, 75, 100% нагрузки) при номинальной частоте вращения nном и пять нагрузочных режимов (10, 25, 50, 75, 100% нагрузки) при частоте вращения nMmax=0,6-0,7 nном, соответствующей максимальному крутящему моменту двигателя. Доля номинального режима составляет 10% от общего времени работы двигателя, а доля режима максимального крутящего момента – 25%. Здесь необходимо также отметить некоторую схематичность отображения распределения режимов работы дизеля в условиях реальной эксплуатации транспортного средства в рассмотренных испытательных циклах (в частности, в 13-режимном цикле ЕСЕ R49) [77].
В соответствии с ГОСТ 17.2.2.01-84 – «Дымность отработавших газов дизелей» и Правилами ЕЭК R 24-02 ООН дымность ОГ определяется только на режимах внешней скоростной характеристики [26, 77]. При этом наиболее важными режимами также являются режим максимальной мощности (номинальный режим) и режим максимального крутящего момента. В рассмотренных испытательных циклах (Рис. 4.12) режим холостого хода при минимальной частоте вращения имеет существенную значимость (доля этого режима составляет от 12 до 41 % от общего времени работы). Но поскольку расход ОГ на этом режиме значительно меньше, чем на номинальном режиме и режиме максимального крутящего момента, то и массовый выброс токсичных компонентов ОГ сравнительно невелик. Кроме того, дымность ОГ на этом режиме незначительна и не нормируется стандартами на токсичность ОГ.
С учетом изложенных факторов для решения задачи оптимизации состава эмульгированного топлива для дизеля типа Д-245.12С предлагается использовать метод свертки, при котором частные критерии оптимальности сводятся к обобщенному критерию Jо, определяемому в виде суммы основных частных критериев, характеризующих концентрацию в ОГ оксидов азота JNOx и дымность ОГ по шкале Хартриджа JKx, в соответствии с выражением
Проведенный выше анализ показал, что при оптимизации состава эмульгированного топлива в первую очередь целесообразно учитывать принятые основные показатели токсичности ОГ на двух основных режимах – максимальной мощности Nmax и максимального крутящего момента Mmax. Тогда выражение (4.4) принимает вид Таким образом, предложенная методика оптимизации состава эмульгированного топлива предполагает формирование обобщенного аддитивного критерия оптимальности в виде (4.5) или (4.7). Минимум этого обобщенного критерия (целевой функции) соответствует оптимальному составу эмульгированного топлива. При этом частные критерии оптимизации, характеризующие концентрацию в ОГ оксидов азота JNOx и дымность ОГ по шкале Хартриджа JKx на двух основных режимах – максимальной мощности Nmax и максимального крутящего момента Mmax, определяются по выражениям (4.6). Эта методика не предполагает ранжирования (определения значимости) этих частных критериев оптимальности путем задания соответствующих весовых коэффициентов, как это принято в выражении (4.1). Кроме того, эта методика отличается от методики (4.1) существенно меньшим объемом вычислений.
Предложенная методика использована для оптимизации состава смесей (эмульсий) нефтяного ДТ с водой для дизеля типа Д-245.12С. При этом использованы экспериментальные данные, представленные выше (см. раздел 4.2 диссертации). Результаты вычислений частных критериев оптимальности по выражениям (4.6) и обобщенного критерия оптимальности (целевой функции) по формулам (4.5) и (4.7) приведены в Таблице 16.
Полученные результаты оптимизации свидетельствуют о том, что для дизеля типа Д-245.12С, работающем на эмульгированных топливах, оптимальное в соответствии с выражениями (4.5) и (4.7) содержание воды в эмульгированнном топливе равно СНО=15%. При таком составе ВТЭ достигается минимум обобщенного критерия оптимальности (целевой функции) 7о =0,659 (при работе на нефтяном ДТ он равен единице, см. табл. 16). В этом случае обеспечиваются и минимальный выброс оксидов азота на режимах 13-режимного цикла eNOx=4,849, г/(кВт-ч), и минимальная дымность ОГ КХ, (8,5 и 18% по шкале Хартриджа, соответственно на режимах максимальной мощности и максимального крутящего момента, см. Таблицу 15). При таком составе эмульгированного топлива отмечен также максимальный условный (средний) на режимах 13-режимного цикла эффективный КПД це усл=0,361 (при работе на нефтяном ДТ це усл=0,341, см. Таблицу 15).
Необходимо отметить, что по мере увеличения состава воды в смеси с нефтяным ДТ обобщенный критерий оптимальности 7о монотонно уменьшется, но его снижение происходит более интенсивно при небольшом одержании воды в эмульгированном топливе (Рис. 4.13). Это свидетельствует о том, что даже небольшая добавка воды в нефтяное ДТ значительно улучшает показатели токсичности ОГ исследуемого дизеля.