Многопараметровая оптимизация рабочего процесса дизеля по расходу топлива и выбросам вредных веществ с отработавшими газами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.02, кандидат технических наук Кривяков, Сергей Васильевич

• Кривяков, Сергей Васильевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кривяков, Сергей Васильевич

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. АНАЛИЗ РАБОТ ПО ПОВЫШЕНИЮ

ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ ТОПЛИВНОЙ

ЭКОНОМИЧНОСТИ И СНИЖЕНИЮ ЭМИССИИ вв с ог

ДИЗЕЛЕЙ.

1.1. Характеристики ДВС, суммарный выброс ВВ и эксплуатационная топливная экономичность.

1.2. Методы подхода к определению регулировочных параметров в дизелях.

1.3. Анализ ездовых циклов для испытаний транспортных ДВС

1.4. Способы регулирования угла опережения впрыскивания топлива.

1.5. Задачи исследования.

Глава 2. РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

МНОГОПАРАМЕТРОВОЙ ОПТИМИЗАЦИИ РАБОЧЕГО

ПРОЦЕССА ДИЗЕЛЯ.

2.1. Методика обработки ездового цикла для получения распределения режимов работы дизеля.

2.2. Методика обработки результатов стендовых испытаний ДВС.

2.3. Методика приведения оценочных показателей к единому параметру.

2.4. Методика оптимизации по заданным критериям.

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА, МЕТОДИКИ

ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ.

3.1. Экспериментальная установка и контрольно-измерительное оборудование.

3.2. Методика получения и обработки результатов мете-дом планируемого эксперимента.

3.3. Методика оценки адекватности моделей.

3.4. Методика пересчета содержания вредных веществ в отработавших газах.

3.5. Методика определения погрешностей измерений.

Глава 4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТНО

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

4.1. Результаты обработки экспериментальных данных методом планируемого эксперимента.

4.2. Вычисление коэффициентов уравнений оценочного расхода топлива и выбросов вредных веществ с отработавшими газами.

4.3. Выбор оптимальных регулировок дизеля Д245.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Многопараметровая оптимизация рабочего процесса дизеля по расходу топлива и выбросам вредных веществ с отработавшими газами»

Важным направлением широкого комплекса работ по защите окружающей среды является снижение уровня средних выбросов с отработавшими газами (ОГ) двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Высокий коэффициент полезного действия современных поршневых ДВС, простота и безотказность их эксплуатации, возможность автономного использования, отлаженность мирового производства, являются весьма важными факторами при рассмотрении вопроса о целесообразности замены их на другие, менее токсичные силовые установки, использующие новые виды то-плив или работающие на иных принципах. Поэтому можно предположить, что и в наступившем столетии поршневые ДВС с искровым зажиганием и ДВС с воспламенением от сжатия (дизели) останутся основным видом силового привода транспортных средств, строительно-дорожного и карьерного оборудования, ма-шинотракторных агрегатов [18].

Перед современным двигателестроением стоят две актуальные проблемы, одна из которых связана с топливно-энергетическим кризисом, вызванным истощением запасов нефти, а другая - с вредным воздействием ОГ на окружающую среду. Таким образом, пути дальнейшего совершенствования и рационального применения указанных энергетических установок определяются необходимостью повышения их топливной экономичности при одновременном снижении уровня вредных (токсичных) выбросов с ОГ.

Дизели, как известно, по сравнению с двигателями с искровым зажиганием обладают значительно лучшей топливной экономичностью, в них используются более тяжелые и более дешевые фракции нефти. Снижение токсичности ОГ дизелей в настоящее время предается большое значение в связи в расширением сферы их применения и увеличением количества автомобилей, тракторов, самоходных шасси, бульдозеров и других машин с дизельным приводом, работающих в городах, карьерах, шахтах, парниках, на животноводческих фермах и других местах о 01раниченным воздухообменом и повышенными требованиями к чистоте воздуха.

Естественной причиной, тормозящей внедрение средств снижения токсичности двигателей автомобилей, тракторов, комбайнов и других машин с дизельным приводом, является необходимость дополнительных затрат на обеспечение малотоксичного исполнения силового агрегата. Малотоксичный вариант энергетической установки не теряет конкурентоспособности при сохранении на существующем уровне. Использование же большинства методов снижения токсичности, как известно из многочисленных исследований, неблагоприятно сказывается на топливной экономичности. В этих условиях актуальным является поиск методов, снижающих токсичность, легко реализуемых в условиях эксплуатации и рациональных с точки зрения экономичности дизеля.

В данной работе изложены результаты исследований по разработке малотоксичных регулировок дизеля размерности 4ЧН11/12,5, обеспечивающих пониженный уровень вредных выбросов и дымности с сохранением заданной экономичности. Поиск рациональных регулировок осуществлялся с использованием регрессионных моделей расхода топлива, эмиссии вредных веществ (ВВ) и сажи с ОГ, определенных по результатам стендовых испытаний дизеля.

Заключение диссертации по теме «Тепловые двигатели», Кривяков, Сергей Васильевич

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Разработана методика и программа прогнозирования характера распределения нагрузочно - скоростных режимов работы дизеля, моделирующая движение транспортного средства в соответствии с его характеристиками и заданным испытательным циклом движения.

2. На основе разработанной методики получены вероятностные распределения нагрузочно - скоростных режимов работы дизеля Д245.12 ММЗ, перспективного городского автобуса ЗИЛ-3250, при его движении в соответствии с усовершенствованным европейским ездовым циклом (£ГОQ, при различной степени загруженности транспортного средства.

3. Обоснован метод приведения выбросов основных токсичных компонентов с учетом индивидуальных свойств экотоксикан-тов, содержащихся в отработавших газов дизеля, к единому оценочному параметру, основанный на нормах предельно допустимых концентраций вредных веществ.

4. Разработана методика и программа для определения закона регулирования транспортного дизеля с учетом условий эксплуатации, позволяющего минимизировать негативное воздействие вредных веществ, содержащихся в ОГ, на окружающую среду при поддержании эксплуатационного расхода топлива на заданном уровне.

5. Проведен комплекс испытаний дизеля Д245.12ММЗ, обработаны с применением методов регрессионного анализа экспериментальные данные и получены аналитические зависимости по выбросам основных токсичных компонентов, сажи и расходу топлива в функции нагрузочно - скоростных режимов работы и регулировочного параметра - угла опережения впрыскивания топлива, позволяющие проводить оптимизацию характеристик дизеля расчетными методами

6. На основе разработанных методик и полученных экспериментальных данных осуществлен выбор закона регулирования угла опережения впрыскивания топлива, позволяющего снизить эксплуатационный расход топлива на 0,88%, при движении автобуса ЗИЛ-3250 порожняком, и на 1,3% при полной загрузке.

7. Закон регулирования, сохраняющий эксплуатационный расход топлива на исходном уровне позволяет снизить вредное воздействие токсичных компонентов ОГ дизеля Д245.12ММЗ на 10% при минимальной загрузке автобуса ЗИЛ-3250 и на 18% при полной загрузке. Малотоксичная регулировка, при ухудшении топливной экономичности на 10%, позволяет снизить токсичность ОГ на 24% и 48%, соответственно.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кривяков, Сергей Васильевич, 2000 год

1. Астанский Ю.Л. Новый способ впрыска топлива с повышенным давлением посадки иглы распылителя// Двигателе-строение. 1963. - №10. - С.48-50.

2. Бекман В.В. Гоночные автомобили. Д.: Машиностроение, 1980. - 320с.

3. Брилинг Н.Р., Вихерт М.М., Гутерман И.И. Быстроходные дизели. М.: Машгиз, 1951. - 519с.

4. Брук А.К., Рихтер А.А. Режимы работы судовых дизелей. Д.: Судпромгиз, 1963. - 482с.

5. Бурдун ГЛ., Марков Б.Н. Основы метрологии. М.: Изд-во стандартов, 1975. - 336с.

6. Вихерт М.М., Мазинг М.В. Топливная аппаратура автомобильных дизелей: конструкция и параметры. М.: Машиностроение, 1978. - 176с.

7. Головчук А.Ф. Исследование регуляторов скорости автомобильных и комбайновых дизелей/ /Двигателестроение. 1984. - С.27-29.

8. ГОСТ 12.1.005-86 «Система стандартов безопасности труда. Воздух рабочей зоны. Общие санитарно гигиенические требования».

9. ГОСТ 12.1.007-86.ССБ «Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности».

10. ГОСТ 17.2.2.05-86 «Охрана природы. Атмосфера. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами тракторных и комбайновых дизелей. Нормы и методы измерений».

11. Гусаков C.B., Патрахалъцев H.H. Выбор программы регулирования угла опережения впрыска, оптимизированной по экономичности и токсичности отработавших газов.//Сб. научных тр. УДН: Исследование двигателей и машин».- 1980.-С. 18-21.

12. Гусаков C.B., Патрахалъцев H.H., Кульчицкий А.Р. Влияние фаз газораспределения на токсичность ОГ дизеля. М.: ЦНИИИТЭНтракторосельхозмаш, 1977. - Ns2. - С. 16-21

13. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей/ Под ред, A.C. Орлина, М.Г. Круг-лова. М.: Машиностроение, 1983. - 372с.

14. Дьяконов В.П. Справочник по алгоритмам и программам на языке бейеик для персональных ЭВМ: Справочник. М.: Наука, 1987. - 240с.

15. Зуйдель А.Н. Ошибки измерений физических величин. М.: Наука, 1974. - 108с.

16. Иващенко H.A., Круглое М.Г. 90 лет московской школе двига-телистов//Матер, междунар. научн. конференции «Двига-тель-97». М.: Изд-во МГТУ, 1997. - С.2-4.

17. Исследование влияния конструктивных изменений элементов насоса 4УТНИ-Т и распылителей на мощностные , экономические и экологические показатели дизеля Д245.12:НТО Договор с НЗТА/ Пономарев Е.Г. НПП «Агродизель», 1999. - 70с.

18. Камфер Г.М. Процессы тепломассопереноса и испарения при смесеобразовании в дизелях. М.: Высшая школа., 1974. -143с.

19. Касандрова О.Н., Аебедев В.В. Обработка результатов наблюдений. М.: Наука, 1970. - 104 с.

20. Колупаев В.Я. Конструкции устройств для автоматическогоизменения угла опережения впрыска топлива в зарубежных быстроходных дизелях, М.: ЦНИИИТЭИтракторосельхозмаш, 1974. - 28с.

21. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1978. - 832с.

22. Костин А.К. Влияние режимов работы на показатели двигателя внутреннего сгорания. Д.: ЛПИ, 1984. - 190с.

23. Костин А.К., Ермекбаев КБ. Эксплуатационные режимы транспортных дизелей. Алма-Ата: Наука, 1988. - 190с.

24. Костин А.К, Ларионов В.В., Михайлов Л.И. Теплонапряжен-ность двигателей внутреннего сгорания: Справочное пособие. Л.: Машиностроение, 1979. - 222с.

25. Кривое ВТ., Санатов СЛ., Орлов А.Н. Улучшение качества переходных процессов в дизелях с газотурбинным наддувом путем утилизации их отходящей теплоты/ / Двигателестрое-ние. 1983. - №8. - С.3-7.

26. Крутое В Ж Автоматическое регулирование двигателей внутреннего сгорания. М.: Машгиз, 1986. - 216с.

27. Крутое В.И. Автоматическое регулирование и управление двигателем внутреннего сгорания. М.: Машиностроение, 1989. -416с.

28. Крутое В.И. Двигатель внутреннего сгорания как регулируемый объект. М.: Машиностроение, 1978. - 472с.

29. Крутое В.И., Марков В.А. Анализ влияния изменяющегося по программе утла опережения впрыскивания топлива на качество переходного процесса в дизеле// Двигателестроение. -1991. №10-11. - С.53-56.

30. Крутое В.И., Марков В.А. Улучшение характеристик автомобильных дизелей измеением угла опережения впрыскивания топлива// Изв. ВУЗов. Машиностроение. - 1993. - №2. -С.66-71.

31. Куценко A.C. Моделирование рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания на ЭВМ. К: Наук, думка, 1988. - 104с.

32. Левин М.М., Островский Э.С., Леснер Е.Ю. Микропроцессорная система управления углом опережения впрыскивания топлива/ / Двигателестроение. 1988. - №6. - С. 16-18.

33. Лышевский A.C., Мылънев В.В., Брагинец В. А. Развитие конструкций автоматических муфт и устройств опережения впрыска автотракторных дизелей. М.: ЦНИИИТЭИтракторосель-хозмаш, 1975. - 50с.

34. Марков В.А., Кислое ВТ., Хватов В.А. Характеристики топли-воподачи транспортных дизелей. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997. - 160с.

35. Математическое моделирование и исследование процессов в ДВС/ С.И. Алексеенко, В.В. Арапов, B.C. Бабкин и др.; Под ред. В.А. Вагнера, H.A. Иващенко, В.Ю. Русакова. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 1997. - 198с.

36. Махалдиани В.В., Эджибия Н.Ф. Аеонидзе А.М. Двигатели внутреннего сгорания с автоматическим регулированием степени сжатия. Тбилиси: Мецниереба, 1973. - 270с.

37. Махов В.З. Процессы сгорания в двигателях с воспламенением от сжатая// Учебн. пособие. М.: МАДИ. - 1980. - 76с.

38. Методика и некоторые результаты исследования рабочего процесса автомобильного дизеля при форсировании его мощности с помощью наддува/ Хачиян A.C., Багдасаров И.Г., Мамин Б.В. и др./ /Труды МАДИ. 1979. - №178. - С.10-18.

39. Методика применения и обработки результатов на ЭВМ планируемого эксперимента при испытаниях двигателей: Отчет// М.: ЦНИЛТД. О.И.Жегалин. - Тема 92-75, доп. согл. 1., х/д №2557, 1977. - 25с.

40. Методика статистической обработки информации о надежности технических изделий на ЭЦВМ. М.: Изд-во - стандартов, 1978. - 55 с.

41. Муфта автоматического угла опережения впрыска/ A.M. Малышев и др. A.C. №222804 F02. Приоритет от 12.04.66

42. Муфта опережения впрыска топлива для топливного насоса высокого давления. A.C. №1023126/ C.B. Гусаков, В.Е. Гир-шович, В.Н. Мариночкин и др. 1977.

43. Налимов В. В., Чернова М.А. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов. М.: «Наука», 1965.

44. Насос для впрыска топлива в ДВС Robert Bosch GmbH. Патент Англии №1395384 FIA. Приоритет от 29.05.75.

45. ОСТ 37.001.054-74 «Автомобили и двигатели. Выбросы вредных веществ. Нормы и методы определения».

46. ОСТ 37.001.234-84 «Охрана природы. Атмосфера. Дизели автомобильные. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами. Нормы и методы измерений».

47. Патрахалъцев H.H. Дизельные системы топливоподачи с регулированием начального давления// Двигателестроение. -1980. NslO. - С.33-38.

48. Попык К. Г. Конструирование и расчет автомобильных и тракторных двигателей. М.: Высшая школа, 1973. - 398с.

49. Преображенский В.Я. Теплотехнические измерения и приборы. М. Энергия, 1978. - 703 с.

50. Проведение 2-го этапа испытаний и отработка технической документации на малотоксичную модификацию дизеля ММЗ: НТО//Тема 23,72.81-15.1270, этап 19.4. № гос. per. 01830047719/Куцевалов В.А. -ФНЙКТВД. - 1983. - 91с.

51. Работа дизелей в условиях эксплуатации: Справочник/ А.К. Костин, Б.П. Пугачев, Ю.Ю. Кочинев; Под общ. ред. А.К. Костина. Л.: Машиностроение, 1989. - 284с.

52. Рабочий процесс и теплонапряженность автомобильных дизелей/Г. Д. Чернышов, A.C. Хачиян, В.И. Пику с; Под. общ. ред. Г .Д. Чернышова. М.: Машиностроение, 1986. - 216с.

53. Разлейцев Н.Ф. Mоделирование и оптимизация процесса сгорания в дизелях. Харьков: Вища школа, 1980. - 169с.

54. Разработка метода снижения токсичности рабочего процесса дизеля регулированием фаз газораспределения/ C.B. Гусаков, H.H. Патрахалъцев, А.Р. Кульчицкий и др.// НТО НИАТД-НИКТИД. № гос. per. 75064139, 1976. - 43с.

55. Разработка проекта отраслевого стандарта «Дизели тракторные и комбайновые. Выделение вредных веществ с отработавшими газами. Нормы и методы определения»: НТО/

56. НИЛТД; Ю.Б. Дроздов. Тема 96-75-6, № гос. per. 75064135. - М., 1975. - 14с.

57. Режимы работы и токсичные выбросы отработавших газов судовых дизелей/ В.И., Толшин, В.В. Якунчиков; Под общ. ред. В.И. Толшина. -М.: Изд-во МГАВТ, 1999. 190с.

58. Режимы работы энергонасыщенных тракторов/ Н.С. Жда-новский, А.В. Николаенко, B.C. Шкрабак и др. Д.: Машиностроение, 1981. - 240с.

59. Руководство по контролю загрязнения воздуха в рабочих зонах рудных месторождений. ~ М.: Гостехнадзор СССР, 1981. -84с.

60. Самое В.А., Лесников А.П. Физико-химическое регулирование процесса сгорания в дизеле путем оптимизации состава топлива/ Тез. докл. М.: Изд-во МВТУ, 1980. - С.75-76.

61. Статистические методы обработки эмпирических данных: Рекомендации ВНИИНМАШ. М.: Изд-во стандартов, 1978. -232 с.

62. Топливные системы и экономичность дизелей/ И.В. Астахов, Л.Н.Голубков, В.И. Трусов и др. -М.: Машиностроение, 1990. -288с.

63. Топливный насос с автоматическим регулированием момента впрыска/Stanadyne Inc. Патент США №3771506 123-139 13.11.73.

64. Тракторные дизели: Справочник/ В.А. Взоров, А.В. Адамович, А.Г. Арабян и др. М.: Машиностроение, 1981. -535с.

65. Установка для контроля начала впрыска В ДВС с непосредственным впрыском Daimler-Benz. Патент США №3455286 123-139. Приоритет от 14.07.67.

66. Циннер КМ. Наддув двигателей внутреннего сгорания. А.: Машгиз, 1978. - 263с.

67. Чернышев Г.Д., Слабое В.П., Терещук А.Г. Исследование эксплуатационных режимов работы двигателей ЯМЗ// Автомобильная промышленность. -№10. 1975.

68. Шеффе Г. Дисперсионный анализ. М.: Физматгиз, 1963.

69. Common Rail Les constructeurs se mettent a rinjection directe/M.V. / /Usine nouv. 1997. - №2611. - P60-61.

70. Das EPIC System Von Lucas//KFZ. - 1995. - 38, Noll. -P.506-507.

71. Die zündende Idee: Technische Perspektiveb des Dieselsmotors -Neve Wege durch Hochdruckeinspritzong und mit Vierentiltechnik/ Rinn Jürgen//KFZ-Betr. Automarkt.-1996. -№9. -P. 162-165.

72. Dynamische Abgasmessungen mit einen Laser-Massens-Spektrometer/Frey Rudiger, Nagel Holger, Franzen Jochen, Befzold Hogo, Ulke Walfer, Boesl Ulrich//MTZ: Motor- techn. Z. -1995. 56, №10. - P.608.

73. Kleiner Motor mit großer Leistung//KFZ Betr. und Automarkt.-1998. - 88, Nq8. - P.6.

74. Liu Chuanli, Jia Donghong, Yung Lhonglef fNeiranji gongc-heng = Chin. Intern. Combust. Engine Eng. 1996. - 17, Nsl. - P.52-58.

75. New Motor Vehicles and New Motor Engines Control of Air Pollution Federal Register, Vol 37, No 221, Part 11/ November 15, 1972/ Washington, 70p.

76. Perkins mit Power//Bd. Baumachinendienst. -1996. 32, №3/ -P.204-205.

77. Pischinger R. and Cartellieri W. Combustion system parameters and their effect upon diesel engine exhaust emission, SAE paper 720756, 1972.

78. Prenninger P., Bartsch P. Application of AVL-BOOST-FIRE Hybrid Calculation in Engine Optimization, AVL Proc. 3rd Int. FIRE User Meeting, June 16th/ 17th, 1997.

79. Silicon injection/Romba Phil// DES: Diesel Equip. Superintendent. 1995. - 73, - P.57-58.

80. The intelligent engine to enter long term service test//Schiff und Hafen: Seewirt., Kommandobrücke. - 1997. - 49, №9. ~ P.99-100