Снижение сажесодержания в отработавших газах тракторного дизеля за счет улучшения условий смесеобразования и сгорания тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.02, кандидат технических наук Бунова, Елена Вячеславовна

• Бунова, Елена Вячеславовна
• кандидат технических наук
• 1996

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бунова, Елена Вячеславовна

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПРОБЛЕМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И СНИЖЕНИЯ САЖЕСОДЕРЖАНИЯ В ОТРАБОТАВШИХ ГАЗАХ ДИЗЕЛЕЙ.

1.1. Причина образования сажи. б

1.2. Экспериментальное и теоретическое определение сажесодержания в отработавших газах дизеля.

1.3. Основные способы снижения сажесодержания.

1.4. Задачи настоящего исследования.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ САЖЕСОДЕРЖАНИЯ В ОТРАБОТАВШИХ ГАЗАХ ДИЗЕЛЯ И РАСЧЕТНО- ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Методика теоретического определения сажесодержания в отработавших газах дизеля.

2.2. Алгоритм и программа расчета на IBM PC сажесодержания в отработавших газах дизеля.

2.3. Теоретические исследования по влиянию конструктивных и эксплуатационных параметров на сажесодержание в отработавших газах дизеля.

2.3.1. Влияние коэффициента избытка воздуха.

2.3.2. Влияние степени сжатия.

2.3.3. Влияние давления и температуры наддувочного воздуха.

2.3.4. Влияние продолжительности впрыскивания топлива.

2.3.5. Влияние диаметров цилиндра и распиливающих отверстий.

2.3.6. Влияние плотности отработавших газов.

2.3.7. Влияние цетанового числа топлив.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА. РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОННОГО

РЕГУЛЯТОРА ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1. Экспериментальная установка.

3.2. Приборы и измерительная аппаратура.

3.3. Разработка электронного регулятора частоты вращения.

3.3.1. Конструкция электронного регулятора частоты вращения.

3.3.2. Работа электронного регулятора частоты вращения.

3.4. Методика экспериментального исследования и оценка погрешности измерений.

4. РАСЧЕТНО-ЭКШЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОЧЕГО ЦИКЛА И САЖЕСОДЕРЖАНИЯ В ОТРАБОТАВШИХ ГАЗАХ ДИЗЕЛЯ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБАХ УЛУЧШЕНИЯ УСЛОВИЙ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ И СГОРАНИЯ.

4.1. Исследование рабочего цикла и сажесодержания в отработавших газах дизеля 1415,0/20,5 при работе на различных топливах.

4.1.1. Регулировочные характеристики дизеля по углу опережения подачи топлива.

4.1.2. Нагрузочные характеристики дизеля (п = 1250 мин-1).

4.1.3. Скоростные характеристики дизеля.

4.2. Исследование влияния наддува на показатели рабочего цикла и сажесодержание в отработавших газах дизеля.

4.3. Исследование сажесодержания в отработавших газах дизеля при уменьшении "потерянных" объемов камеры сгорания.

4.4. Исследование рабочего цикла и сажесодержания в отработавших газах дизеля 4ЧН15,0/20,5 при работе с электронным регулятором частоты вращения.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Снижение сажесодержания в отработавших газах тракторного дизеля за счет улучшения условий смесеобразования и сгорания»

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 (ОГ).

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 ит. 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 ит. 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 распиливающих 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-экспериментальным 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.

Заключение диссертации по теме «Тепловые двигатели», Бунова, Елена Вячеславовна

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

На основании выполненной работы можно сделать следующие выводы и рекомендации:

1. Разработана методика теоретического определения сажесодержания в отработавших газах дизеля, учитывающая коэффициент избытка воздуха, давление и температура наддувочного воздуха, период задержки самовоспламенения, угол опережения подачи топлива, цетановое число топлива, продолжительность впрыскивания топлива, диаметры цилиндра и сопловых отверстий в распылителе, плотность отработавших газов. Математическая модель по определению сажесодержания в отработавших газах удовлетворительно описывает результаты эксперимента и может быть использована исследователями при модернизации и разработке новых дизелей.

2. Разработана программа расчета сажесодержания в отработавших газах дизеля на IBM PC, которая в сочетании с программами расчета замкнутого цикла комбинированного дизеля и регулятора топливного насоса высокого давления позволяет определять сажесодержание в отработавших газах не только на установившихся режимах, но и на переходных, характеризующихся интенсивным сажевыделением.

3. Проведены расчетно-теоретические исследования по выявлению влияния коэффициента избытка воздуха, продолжительности впрыскивания топлива, давления и температуры наддувочного воздуха, степени сжатия, диаметров цилиндра и распиливающих отверстий, цетанового числа топлива и плотности отработавших газов на сажесодержание в отработавших газах и представлены однознаяные зависимости. Данные зависимости могут быть использованы конструкторами и исследователями, занимающимися вопросами совершенствования дизелей. Проведенные исследования дают основания заключить, что для выполнения норм по ГОСТу на дымность отработавших газов дизель Д-160 на номинальном режиме должен иметь коэффициент избытка воздуха не меньше 1,58; а на режиме максимального крутящего момента не меньше 1,64.

4. Разработан электронный регулятор частоты вращения для управления подачей топлива, обеспечивающий оптимизацию состава горючей смеси, а следовательно улучшающий условия смесеобразования и сгорания, новизна которого защищена двумя патентами.

5. Результаты расчетно-экспериментальных исследований рабочего цикла тракторного дизеля при улучшении различными способами условий смесеобразования и сгорания позволяют заключить, что:

- применение керосина, смеси дизельного топлива с бензином А-76 (50%+50%) приводит при Ре - 0,7 МПа и п = 1250 мин"1 в дизеле 1415.0/20.5 к снижению сажесодержания соответственно на 23,3% и 39%. Снижение сажесодержания наблюдается и на других режимах работы;

- уменьшение "потерянных" объемов пространства камеры сгорания с 60 до 40 см3 приводит к снижению сажесодержания в отработавших газах на номинальном режиме дизеля Д-160 на 30%;

- применение наддува в тракторном дизеле размерности 15.0/20.5 с объемно-пленочным смесеобразованием приводит к существенному снижению содержания сажи в отработавших газах. На номинальном режиме (Ре - 0,828 МПа, п - 1250 мин"1) сажесодержание составляет 0,138 г/м3, что на 25% меньше допустимой нормы по ГОСТу на дым-ность;

- применение электронного регулятора частоты вращения в дизеле Д-160 приводит к более устойчивой работе, возможности снижения минимальной частоты вращения холостого хода до 300.500 мин"1 (вместо 600 мин"1) и обеспечивает уменьшение сажесодержания в отработавших газах за время переходного процесса при резком набросе нагрузки от 0 до 100% на 0,11 г/м3.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бунова, Елена Вячеславовна, 1996 год

1. Рикардо Г.Р. Быстроходные двигатели внутреннего сгорания.- М.: Машгиз, I960. 411 с.

2. MEURER J.S. Evalution of reaction kinetics eliminates diesel knock. The M-ocmbustion system of MAN //SAE Transactions,1956.- P. 5-8.

3. SCHWEITZER P.H. A new concept of diesel combustion // Automotive Industries, 1956, N 12. 23 P.

4. Соколик А.С. 0 физико-химической природе самовоспламенения и сгорания в двигателях с воспламенением от сжатия // Двигатели с воспламенением от сжатия.- М.,1951, вып. 18.- С. 35-55.

5. Соколик А.С. Кинетическая интерпретация М процесса //Сгорание и смесеобразование в дизелях. М. ,1960, вып 5. -С. 23-27.

6. Брозе Д.Д. Сгороние в поршневых двигателях. М.: Машгиз, 1969. - 247 с.

7. Воинов А.Н. Процессы сгорания в быстроходных поршневых двигателях. -М.: Машиностроение, 1965. 278 с.

8. Толстов А.И. К проблеме смесеобразования в быстроходных дизелях с наддувом //Исследование быстроходных дизелей. 1961, N10.- С. 14-17.

9. Разлейцев Н.Ф. Кинетическое уравнение динамики образования и выгорания сажи в цилиндре дизеля // Двигатели внутреннего сгорания. -Харьков.: ХПИ,1977, N 26. С. 22-27.

10. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания.- М.: Машиностроение, 1981. 160 с.

11. Смайлис В.И., Соколов B.C., Петров В.А. Влияние конструктивных факторов и условий эксплуатации на токсичность выхлопных газов дизеля // Двигатели внутреннего сгорания. -М.: Машиностроение, 1965. С. 11-14.

12. GROSS-GR0N0MSKI L. Diesel smoke. Flame cooling as the main cause. Automob. Eng., 1964, N13. 23 P.

13. Жегалин О.И., Лупачев П.Д. Снижение токсичности автомобильных двигателей. -М., 1985. 112 с.

14. Бакиров Ф.Г., Захаров В.М., Полещук И.3., Шайкутдинов 3.Г. Образование и выгорание сажи при сжигании углеводородных топлив. -М.: Машиностроение, 1989. 129 с.

15. Минкин З.М., Завлин М.Я. Исследование процесса сгорания в цилиндре дизеля с камерой в поршне методом скоростного фотографирования // Двигатели внутреннего сгорания. М.-Л.: Машиностроение, 1965, - С. 430-442.

16. ALC0CKJ.F., SCOTT W.M. Some More Light on Diesel Combustion the Institution of Mechanical Engineers. 1962-63, N5. 23 P.

17. Новиков JI.А., Вольская H.A. Проблемы и перспективы создания малотоксичных дизелей // Двигателестроение. -Л.: ЦНИДИ, 1993, N 1-2. С. 7-9.

18. Chernich D.J.,Jacobs Р.Е.,Kowalski J.D. A Comporason of Heavy-duty Diesel Truck Engine Smoke Opacities at High Altitude //SAE Techn. Pap. Ser. 1991, N 911671, P. 1-9.

19. Моисеев С.П. Сажевые фильтры // Автомобильная промышленность. 1993, N10. С. 7-9.

20. Кульчицкий А.Р. Влияние субъективного фактора при оценке состава ОГ дизеля // Проблемы повышения технического уровня тракторных и комбайновых двигателей. М.: ЦНИТА, 1988. С.15-17.

21. Батурин С.А., Макаров В.В. Физико-химический механизм и методика расчета результирующего сажевыделения в дизелях. -Л.: ЦНИДИ, 1985. Вып. 85. С. 82-94.

22. Гутаревич Ю.Ф. Охрана окружающей среды от загрязнения выбросами двигателей. -К. :Вьпца шк., 1989. 204 с.

23. Панасенко Е.В. Исследование влияния основных параметров работы тепловозных дизелей на дымность отработавших газов с целью снижения её уровня: Автореф. дис. . канд. техн. наук.- Харьков, 1984. 20 с.

24. Остапенко Г.И. Определение программы регулирования давления наддува тракторного дизеля // Двигатели внутреннего сгорания.- Харьков:ХПИ, 1985. С. 9-11.

25. GARNER F., GRIGG G., MORTIN F., REID W. Pre-flame reaktions in diesel engines. P. III. I.Inst, of Petroleum. 1969, N 42.- P. 6-8.

26. LYN W. Diesel combustion study by infra-red emission spektoroscopy. Journ. Inst, of Petroleum. 1957, N 43.- P. 11-14.

27. Петриченко P.M., Батурин С.А. Элементы системы автоматизированного проектирования ДВС. Алгоритмы прикладных программ. Учебное пособие., Л.Машиностроение, 1990. - 328 с.

28. Лиханов В.А., Сайкин A.M. Снижение токсичности автотракторных дизелей. -М.: Агропромиздат, 1991. 208 с.

29. Одинцова Т.Д. Дымность дизелей и пути её уменьшения. М.: МВТУ, 1985. - 47 с.

30. Свиридов Ю.Б., Малявский Л.В., Вихерт М.М. Топливо и топливо-подача автотракторных дизелей. Л.: Машиностроение, 1979.- 248 с.

31. Алексеев В.А., Петров В.А. Математическое описание характеристики тепловыделения в турбопоршневых двигателях на различных режимах // Двигателестроение. -М., 1981, N 6. С. 7-10.

32. Брызгов Н.Н. Тепловой баланс и теплопередача в предкамерном двигателе. -М., 1937. с. 23.

33. Чурсин М.М. Рабочие процессы и расчет комбинированных двигателей транспортного типа // Двигатели внутреннего сгорания.- М., 1958, N 3. С. 23-37.

34. Шароглазов Б.А., Фарафонтов П.М., Горшков В.А. Моделирование рабочего цикла дизеля, снабженного системой защиты от перегру-зок//Двигателестроение. М.,1991, N 10-11. - С. 28-30.

35. W0CHNI. GERHARD. Eine Methode zur Vorausberechnung der Anderung des Brennverlaufs mittelschell-laufender Dieselmoto-ren bei geranderten Betriebsbedingungen. MTZ, 1973, N 4.

36. Калашников С.А., Лебедев O.H. Определение задержки воспламенения в судовых четырехтактных дизелях // Судовые силовые установки и механизмы. -Новосибирск.: 1970. Вып. 46. -С.169-190.

37. Зайцев Л.К. Определение кинетических параметров процесса сгорания при оделировании рабочего цикла дизеля // Автомобили, тракторы и двигатели. Челябинск, 1978, N 214. - С. 17-20.

38. Исследование путей снижения токсичности выхлопных газов дизелей. Отчет о НИР N 15-73-21. Л.: ЦНИДИ, 1964. - 34 с.

39. Драгунов Г.Д., Егоров В.В. Исследование рабочего цикла дизеля 4ЧН14.5/20.5 при форсировании его до 200.220 л.е. Челябинск. 1976. - 37 с.

40. Иванченко Н.Н., Семенов Б.Н., Соколов B.C. Рабочий процесс дизелей с камерой сгорания в поршне. Л.-.Машиностроение, 1972. - 228 с.

41. Лаврик А.Н., Ставров А.П. Влияние вида топлива и режимов работы дизеля типа Д-108 на период задержки воспламенения // Автомобили, тракторы и двигатели.- Челябинск. 1974, N 148.- С. 109-114.

42. Лаврик А.Н., Ставров А.П. Влияние вида топлива на рабочий цикл дизеля // Автомобили, тракторы и двигатели. Челябинск, 1973, N 131. - С. 106-112.

43. Кассандрова О.Н., Лебедев В.В. Обработка результатов наблюдений. -М., "1970. С. 47.

44. Козлов А.В. Применение электронных систем управления дозированием подачи топлива. Л.: ЦНИТА, 1988. - с. 112.

45. Патент N 94011535 от 25.07.95. Электронный регулятор частоты вращения для управления подачей топлива насосом высокого давления. / Бунова Е.В., Гладышев С.П., Шешуков В.В.

46. Патент N 94014940/014554 от 12.08.95. Электронный регулятор частоты вращения для управления подачей топлива насосом высокого давления. / Бунова Е.В., Гладышев С.П.

47. ХанинН.С., Ванин В.К. Вопросы совершенствования процессов форсирования автомобильных дизелей // Исследование, конструирование и расчет тепловых двигателей внутреннего сгорания.- М.: Машиностроение, 1979. 168 с.

48. Хачиян А.С., Гальговский В.Р., Никитин С.Е. Доводка рабочего процесса автомобильных дизелей. -М.: Машиностроение, 1976.- 104 с.

49. Лазарев Е.А., ГитисМ.С., Пономарев Е.Г. Совершенствование процесса сгорания топлива изменением относительного объема камеры сгорания в поршне тракторного дизеля // Двигателестро-ение, 1990, N 3. С. 14-18.

50. Гитис М.С., Басистый Л.Н., Бунова Е.В. Токсичность тракторного дизеля и возможности ее снижения // Исследование силовых установок и шасси транспортных и тяговых машин: Тематический сборник научных трудов. -Челябинск: ЧГТУ, 1991. С. 3-8.

51. Драгунов Г.Д. Расчет рабочего цикла дизеля с газотурбинным наддувом. Учебное пособие. Челябинск: ЧПИ, 1978. 117 с.

52. Райков И.Я. Испытания двигателей внутреннего сгорания. Учебник для вузов. М.: Высш. школа, 1975. - с. 316.

53. Мочешников Н.А., Френкель А.И. Обобщенные зависимости влияния регулировок дизелй на его токсичность и экономические показатели. М.: Автомобильная промышленность, 1974. - N 11. - С.17.20.

54. Цирульников JI.M. Защита окружающей среды. Методы определения концентрации токсичных продуктов неполного сгорания газа. М., 1977. - 76 с.113