Совершенствование режимов прогрева дизелей подвижного состава тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.07, кандидат технических наук Дворкин, Вадим Леонович

• Дворкин, Вадим Леонович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Дворкин, Вадим Леонович

Введение

Глава 1. ОСОБЕННОСТИ ЗАПУСКА ХОЛОДНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

1.1. Проблемы пуска холодных дизелей и пути их решения

1.2. Особенности рабочего цикла при пуске холодного дизеля

1.3. Определение износов при пуске и прогреве

1.4. Состав отработавших газов

1.5. Средства облегчения низкотемпературного пуска дизелей

1.6. Устройства для обогрева дизелей

1.7. Цель и задачи исследования

Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА

СГОРАНИЯ ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА

2.1. Методы расчета рабочего процесса дизеля

2.2. Основные положения современной теории сгорания

2.3. Физико-химическое исследование процесса сгорания

2.4. Расчет процесса сгорания топлива 72 Выводы по 2 главе

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПА ИЗНОСА ДЕТАЛЕЙ ДВИГАТЕЛЯ

ПРИ ПУСКЕ И ПРОГРЕВЕ

3.1. Темп износа двигателя при пуске и прогреве

3.2. Методика испытаний по определению темпа износа двигателя

3.3. Износ дизелей при пуске и прогреве

3.4. Удельное значение износов двигателя

3.5. Влияние нагрузки на износ двигателя при прогреве 96 Выводы по 3 главе

Глава 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОБРАЗОВАНИЯ ВРЕДНЫХ

ВЕЩЕСТВ ПРИ СГОРАНИИ ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА

4.1. Алгоритм моделирования образования вредных веществ

4.2. Определение теплового состояния газов в камере сгорания

4.3. Теплообмен с газовой смесью в камере сгорания

4.4. Химически неравновесный состав продуктов сгорания

4.5. Алгоритм численного решения системы уравнений

4.6. Моделирование образования твердых частиц 122 Выводы по 4 главе

Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЖИМОВ

ПРОГРЕВА ДИЗЕЛЕЙ

5.1. Описание конструкции устройства прогрева дизеля

5.2. Экспериментальные исследования пуска дизеля при низкой температуре

5.3. Определение режимов прогрева дизеля

5.4. Экспериментальные исследования состава выхлопных газов 143 Выводы по 5 главе 152 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 153 Список использованных источников

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование режимов прогрева дизелей подвижного состава»

Эффективность использования транспортной техники зависит от времени, затрачиваемого на вспомогательные операции. Одной из таких операций является пуск двигателя. Низкие температуры окружающего воздуха затрудняют пуск карбюраторных двигателей и особенно дизелей. Пуск, например, дизелей тепловозов и дизель-поездов, не оборудованных специальными средствами, возможен при температуре не ниже 10 . -5°С. Предел пуска некоторых двигателей ограничен более высокими температурами. Затраты времени на подготовку и пуск двигателей зимой достигают 1 . 1,5 ч. В связи с этим обеспечение надежного пуска двигателей внутреннего сгорания в нашей стране имеет большое значение. Хорошие пусковые качества двигателей облегчают эксплуатацию и повышают производительность локомотивов и транспортных устройств.

Пуск и прогрев двигателя следует проводить так, чтобы в этот период снизить до минимальной величины износы его трущихся деталей. В практических работах по выбору средств пуска и смазочных материалов до недавнего времени это требование еще мало учитывали.

Срок службы двигателей определяется в основном долговечностью деталей цилиндро-поршневой группы и в особенности гильз цилиндров и поршневых колец. Износ этих деталей затрудняет пуск и приводит к уменьшению мощности двигателя, повышению расхода топлива и масла, усиленному нагарообразованию, прорыву газов в картер, ухудшению в связи с этим качества масла и увеличению выбросов вредных веществ. Поэтому работы, направленные на определение и поиск путей сокращения износа гильз цилиндров, поршневых колец и выбросов вредных веществ при пуске является актуальным.

В составе отработавших газов содержится более 100 вредных компонентов, основными из которых являются продукты неполного сгорания топлива (сажа, окись углерода, углеводороды), а также окислы азота и серы. Высокая стоимость и сложность эксплуатации систем очистки и нейтрализации ставит задачу создания безотходного технологического процесса.

Заметное снижение выбросов углеводородов и окиси углерода может быть получено при оптимизации процесса пуска и режимов, близких к холостому ходу. Выбросы углеводородов окиси углерода и сажи максимальны при холодном пуске дизеля. В связи с этим целесообразно в предпусковой период дизеля производить прогрев и не допускать холодного запуска дизеля на непрогретых охлаждающей воде и масле.

Большое количество углеводородов и окиси углерода содержится в отработавших газах при длительной работе в режимах холостого хода, особенно на низкой частоте вращения двигателя, при прогреве дизеля после запуска и охлаждении перед остановкой, что может снизить выбросы углеводородов и окиси углерода в 2 . 4 раза.

Поэтому возникает проблема повышения эффективности работы дизелей в условиях низких температур и, особенно, их пусковых качеств. Как показывает практика они должны надежно и быстро запускаться при температуре до -35 . -40 °С и иметь единое и абсолютно надежное устройство, способное действовать до температуры -50 . -60 °С. При этом очень важно не только приспособить в той или иной степени дизель к пуску, но и сделать это наиболее простым и рациональным путем. Особую актуальность приобретают вопросы правильного выбора средств облегчения пуска и оптимизации конструктивных и регулировочных параметров.

Заключение диссертации по теме «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация», Дворкин, Вадим Леонович

Выводы по 5 главе

1) Выработаны основные требования к построению систем внешнего прогрева дизелей с учетов особенностей работы дизельных агрегатов в условиях городского и железнодорожного транспорта;

2) На базе результатов исследований и требований к системам внешнего прогрева дизелей разработана гидравлическая схема водяной системы, включающая электрический котел мощностью до 36 кВт и прокачио вающий агрегат производительностью до 0,7 м /ч. Окончательный выбор дополнительного оборудования осуществляется исходя из минимальной температуры окружающей среды;

3) Для обеспечения эффективной работы системы внешнего прогрева дизеля предложена электрическая схема устройства, позволяющая кроме подогрева воды поддерживать заданную температуру дизельного масла;

4) Выполнены эксплуатационные испытания устройства прогрева дизельного агрегата, подтвердившие правильность теоретических выводов и рекомендаций. Выбранная схема устройства прогрева позволяет осуществлять прогрев дизеля до температуры - 60 °С;

5) В результате эксплуатационных испытаний показана эффективность работы системы прогрева, позволяющей значительно повысить эксплуатационные показатели работы дизелей малой мощности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Снижение интенсивности износов и токсичности отработанных газов за счет совершенствования индикаторного процесса двигателя зачастую сопровождается ухудшением показателей эффективности и экономичности его работы, поэтому в данной работе эти процессы рассмотрены в неразрывной связи с протеканием его индикаторного процесса. В работе разработана математическая модель, дающая возможность оценить количество вредных веществ, образующихся в условиях, близких к условиям горения улеводородных топлив в камерах сгорания дизелей. Исходная информация для модели готовится на основе опытных данных и может варьироваться в широких пределах для различных типов транспортных дизелей. Имеется возможность определить зависимость количества образующихся вредных веществ от типа и модели двигателей и отыскать наилучший режим его прогрева перед запуском.

В диссертации научно обоснованы и разработаны технические решения, направленные на повышение эксплуатационной надежности дизелей подвижного состава за счет снижения интенсивности износов деталей и количества вредных выбросов с отработавшими газами транспортных дизелей в режимах пуска и его прогрева в холодное время года.

При исследовании процессов износа деталей и решении уравнений неравновесной химической кинетики выяснилось, что кроме точного численного решения представляют интерес полуэмпирические выражения для режимов запуска и прогрева дизелей, которые могут найти более широкое применение.

В процессе решения поставленных задач и выполненных исследований получены следующие результаты:

1. Обобщены и проанализированы экспериментальные данные по из-носам деталей цилиндро-поршневой группы, дымности, выбросам оксидов азота, окиси углерода, несгоревших углеводородов дизелями транспортных установок в условиях эксплуатации в холодное время года. Установлено и экспериментально подтверждено, что основными факторами, влияющими на интенсивность износов деталей и выбросы вредных веществ с отработавшими газами, являются конструкция, техническое состояние, режимы работы двигателей и условия окружающей среды, которые определяют характер горения топлива в цилиндрах двигателях;

2. Разработана физико-химическая модель образования и выгорания сажи в транспортных двигателях, основанная на протекании двух конкурирующих процессов, включающих реакции окисления и термического пиролиза топлива. Расчетами установлено определяющее влияние давления и коэффициента избытка воздуха на скорость выгорания сажи. Максимальное расхождение расчетных и экспериментальных данных не превысило 12%;

3. Уточнена модель, описывающая процессы возникновения и развития износов трущихся поверхностей отдельных деталей дизеля. Определены зависимости влияния режимов работы транспортных дизелей, а также предварительного прогрева, особенно в холодное время года, на интенсивность износов трущихся поверхностей;

4. Предложена и опробована бортовая система предпускового прогрева транспортного дизеля, включающая контур циркуляции охлаждающей жидкости и нагревательный котел, дающий возможность производить не только предпусковой прогрев дизеля, но и поддерживать его в постоянной готовности к работе. При этом дымность отработанных газов снижается на 26 %, выбросы оксида углерода на 33 %, несгоревшего дизельного топлива до 40% и уменьшается расход дизельного топлива на 6%;

5. Даны практические рекомендации по определению режимов предварительного прогрева транспортных дизелей от условий окружающей среды. Предлагаемое устройство прогрева дает возможность поддерживать

154 заглушённый дизель в постоянной готовности к запуску при температуре окружающей среды до -60 °С. При этом срок службы транспортных дизелей увеличивается на 22 . 24%;

6. Рассчитан суммарный экономический ущерб от воздействия вредных выбросов с отработавшими газами транспортных дизелей малой мощности, который на одно транспортное предприятие с парком 50 дизелей достигает 250 т.руб. в год. Интегральный экономический эффект от внедрения результатов работы в условиях того же транспортного предприятия составил 300 т.руб в год.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Дворкин, Вадим Леонович, 2004 год

1. Агеев И.К. и др. Исследование показателей роторно-поршневого двигателя. М.: 1970. с. 62-68.

2. Акулов Н.С. Основы химической динамики. МГУ 1940. 422 с.

3. Амбразявичус А.Б. и др. Расчет концентрации окиси азота в условиях химического неравновесия. Тр. АН Лит. ССР, серия Б, 1977, т. 2199. с. 59-66.

4. Апивагабов М. М. Определение оптимальной в режиме пуска дизеля цикловой подачи топлива. //Тракторы и сельхозмашины, 1975, № 4. с. 9-11.

5. БриллингН.Р. Двигатели внутреннего сгорания. ОНТИ, 1935. 366 с.

6. Брозе Д.Д. Сгорание в поршневых двигателях. М.: Машиностроение, 1969. 247 с.

7. Возможности сокращения выброса окислов азота быстроходного форсированного дизеля при сохранении высокой топливной экономичности /Смайлис В.И. и др. // Двигателестроение, 1986, № 9, с. 3-6.

8. Воинов А.Н. Анализ воспламенения в дизеле с учетом влияния химико-кинетических и физических факторов. //Известия вузов СССР. Машиностроение, 1970, № 4. с. 77-81.

9. Вольская Н.А., Новиков Л.А. Исследование сгорания в дизеле с принудительной турбулизацией воздушного заряда: Сб. научн. трудов ЦНИДИ //Развитие конструкций, повышение технического уровня и надежности дизелей. Л.: 1989, с. 54-56.

10. Гладков О.А., Бернштейн Е.В. Сравнительные испытания антидымных присадок с соединениями различных металлов // Двигателестроение. 1989. №2. с. 41-45.

11. Гладков О.А., Бернштейн Е.В., Алиев А.А. Антидымная присадка ИХП-706 эффективное средство для сокращения выбросов сажи при испытаниях дизелей. //Двигателестроение. 1984. № 7. с. 51-52.

12. Гладков О.А., Данщиков В.В., Закржевский В. П. Повышение эффективности использования водотопливных эмульсий в высокооборотных дизелях. //Двигателестроение. 1988. № 7. с. 19-20.

13. Гуреев А.А. и др. Экологические проблемы химотологии. // Химия и технология топлив и масел. 1993, № 6. с. 14-16.

14. Гуреев А.А. и др. Перспективы разработки автомобильных топлив с улучшенными экологическими свойствами. // Химия и технология топлив и масел, 1993, № 11. с. 4-7.

15. Гольдблат И.И. О токсичности автомобильных двигателей, работающих на газообразных топливах. //Автомобильная промышленность, 1972, № 4. с. 5-7.

16. Гончар Б.М. Численное моделирование рабочего процесса дизелей. // Энергомашиностроение, 1968, № 7. с. 34-35.

17. Гриневецкий В.И. Тепловой расчет рабочего процесса двигателей внутреннего сгорания, М.: 1907. 482 с.

18. Гриффин М.Д., Андерсон Д.Д. Решение уравнений Навье-Стокса для определения поля течения в двигателе внутреннего сгорания. // Ракетная техника и космонавтика, 1976, т. 14, № 12. с. 3-4.

19. Гуреев А.А. Исследование износов двигателей при различных способах облегчения пуска. //Автомобильная промышленность, № 12, 1978. с. 14-16.

20. Дубовкин Н.Ф. Справочник по углеводородным топливам и продуктам их сгорания. М.: Госэнергоиздат, 1962. 288 с.

21. Жигалин О.И., Луначев П.Д. Снижение токсичности автомобильных двигателей. М.: Транспорт, 1985. 120 с.

22. Звонов В.Н. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение, 1973. 299 с.

23. Зельдович Я.Б. Кинетика химических реакций в пламени. ОНТИ, 1940. 226 с.

24. Зельдович Я. Б. И др. Окисление азота при горении. Д.: Машиностроение, 1972. 147 с.

25. Иванченко Н. Н. и др. Исследование рабочего процесса многотопливных дизелей типа 49,5/10 с камерой сгорания в поршне. // Энегомашино-строение, 1973, № 3. с. 20-22.

26. Иноземцев Н.В. Исследование и расчет рабочего процесса дизеля. Оборонгиз, 1941. 346 с.

27. Иноземцев Н.В., Кошкин В.К. Процессы сгорания в двигателях. М.: Машгиз, 1949. 343 с.

28. Кондратьев В.Н. Кинетика химических газовых реакций. Изд. АН СССР, 1958. 688 с.

29. Кондратьев В.Н. Константы скоростей газофизических реакций. М.: Наука, 1970. 266 с.

30. Корницкий В. В. и др. Эффективность применения легковоспламеняющихся пусковых жидкостей на тракторных дизелях. //Тракторы и сельхозмашины, 1967, № 11. с. 18-20.

31. Крутов В.И. Автоматическое регулирование и управление ДВС. М.: Машиностроение, 1989. 416 с.

32. Крутов В.И., Рыбальченко А.Г. Регулирование турбонадцува ДВС. М.: Высшая школа, 1978. 213 с.

33. Кузьмин Р. В., Карпович В. А. Пуск и реверс судовых дизелей. М., Транспорт, 1972. 312 с.

34. Купершмидт В. JI. Исследование пусковых качеств дизеля Д-37М и пути их улучшения. ЦНИИТЭИтракторосельхозмаш, 1964. 12 с.

35. Купершмидт В. JI. Об оптимальной цикловой подаче топлива в режиме пуска двигателя. //Тракторы и сельхозмашины, 1972, № 5. с. 8-9.

36. Купершмидт В. JI. и др. О зависимости пусковых качеств дизеля от степени сжатия. //Тракторы и сельхозмашины, 1973, № 3. с. 17-19.

37. Кутенков В.Ф., Чарыков А.А. Сравнительная оценка токсичности отработавших газов автомобильных дизелей и бензиновых двигателей. // Автомобильная промышленность. 1974, № 3. с. 9-11.

38. Лебедев О.Н., Сомов В.А., Сисин В.Д. Водотопливные эмульсии в судовых двигателях. Л.: Судостроение, 1988. 105 с.

39. Левизов О, В., Соколов Ю. А., Шкарупило А. Я. Бестормозные испытания дизелей для работы в условиях неустановившихся режимов. // Двигатели внутреннего сгорания, НИИинформтяжмаш, 1972, №3. 24 с.

40. Лерман Е.Ю., Гладков О.А. Высококонцентрированные водотопливные эмульсии эффективное средство улучшения экологических показателей легких быстроходных дизелей // Двигателестроение. 1986. № 10.с. 35-37.

41. Лернер М.О. Регулирование процесса горения в двигателях. М.: Наука, 1972, 294 с.

42. Лосавио Г.С. Исследование пусковых качеств и пусковых износов дизельного двигателя при низких температурах. //Автомобильный транспорт, № 6, 1984. с. 2-4.

43. Лосавио Г.С. Пуск автомобильных двигателей без разогрева. М.: Транспорт, 1981. 164 с.

44. Мазинг Е.К. Тепловой процесс двигателей внутреннего сгорания. ОНТИ, 1937. 188 с.

45. Малов Р.В. Рабочие процессы и экологические качества ДВС. // Автомобильная промышленность. 1992, № 9. с. 10-15.

46. Марков В.А. Метод снижения токсичности отработавших газов дизелей транспортного назначения. // Известия ВУЗов. Машиностроение, 1993, № 10-13. с. 74-83.

47. Марков В.А. и др. Токсичность отработавших газов дизелей. Уфа: Изд. БГАУ, 2000. 144 с.

48. Мелькумов Т.М. Теория быстроходного дизеля. Оборонгиз, 1944.638 с.

49. Микулин Ю. В, Корницкий.В. В., Энглин Б. А. Пуск холодных двигателей при низкой температуре. М., Машиностроение, 1971. 196 с.

50. Микулин Ю.В. Смазка и износ двигателя на пусковом режиме в условиях положительных и отрицательных температур воздуха. // Энергомашиностроение, № 1, 1969. с.10-13.

51. Назаров В. А., Сметнев Н. Н. Пусковые процессы семейства перспективных дизелей. М., НИИИАвтопром, 1967. 18 с.

52. Новиков JI.A. и др. Особенности измерения дымности отработавших газов дизелей различными дымомерами: М.: ЦНИИТЭИтяжмаш, 1988, 6 с.

53. Песечников Н. С., Болгов И. В. Эксплуатация тракторов в зимнее время. М., Россельхозиздат, 1972. 234 с.

54. Самарский А.А. Математическое моделирование и вычислительный эксперимент. Вести АН СССР, 1979, № 5. с. 35-49.

55. Самсонов Е. П. Устройства запуска дизелей при низких температурах за рубежом. // Двигатели внутреннего сгорания, НИИинформтяж-маш, 1971, №3.24 с.

56. Самсонов Е. П., Кузьмин Г. С. Предпусковой разогрев дизеля при низких температурах воздуха. // Строительные и дорожные машины, 1972, №11. с. 15-16.

57. Свиридов Ю.Б. Смесеобразование и сгорание в дизелях. JL: Машиностроение, 1972. 222 с.

58. Семенов Н.Н. Цепные реакции, Госхимтехиздат, 1934. 226 с.

59. Семенов Н.Н. О некоторых проблемах химической кинетики и реакционной способности (свободные радикалы и цепные реакции). М.: Изд. АН СССР, 1958. 76 с.

60. Смайлис В.И. Сравнительная оценка содержания основных токсических компонентов в отработанных газах дизелей. Труды ЦНИДИ, 1968. с.45-52.

61. Смайлис В.И. Малотоксичные двигатели. М.: Машиностроение, 1972. 128 с.

62. Смайлис В.И. Малотоксичные двигатели. JL: Машиностроение. 1974.126 с.

63. Смайлис В.И., Новиков JI.A. Пути снижения токсичности дизелей карьерного и подземного транспорта. М.: ЦНИИТЭИтяжмаш, 1988, 26 с.

64. Смайлис В.И. Современное состояние и новые проблемы экологии дизелестроения. //Двигателестроение, 1991, № I.e. 3-6.

65. Структура и характер экономического ущерба, наносимого отработавшими газами ДВС / Фурса В.В. и др. // Двигателестроение, 1985, № 5,с. 42-44.

66. Теплотехнический справочник. М.: Госэнергоиздат, 1957, Т.1. 476 с.

67. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. М.: Изд. АН СССР, 1962, т.2. 306 с.

68. Уайлд К.А. исследование адиабатического течения с учетом неравновесных химических реакций применительно к топливам, содержащим атомы С, Н, и N. // Ракетная техника и космонавтика, 1965, т. 3, № 10.с. 72-76.

69. Усольцев Ф. Т., Ташкинов Г. А. Влияние температуры окружающего воздуха на индикаторные показатели рабочего процесса тракторного дизеля при пуске. Труды Ангарского филиала ИЛИ, выпуск 2, 1969. с. 15-17.

70. Филипосянц Т.Р., Мазинг М.В. Пути снижения вредных выбросов отработавших газов автомобильных двигателей. М.: НИИНавтопром, 1979. 65 с.

71. Хайлов В.М. Химическая релаксация в соплах реактивных двигателей. М.: Машиностроение, 1975. 266 с.

72. Чертков Я.Б. Моторные топлива. Новосибирск: Наука, 1987. 208 с.

73. Шегалов И.Л. Экологическая роль транспортных двигателей. //Двигателестроение, 1986, № 6. с. 56-60.

74. Шилов Н.В. О сопряженных реакциях окисления. Оборонгиз, 1955.68 с.

75. Эмануэль Н.М., Кнорре Д.Г. Курс химической кинетики. М.: Высшая школа, 1969. 238 с.

76. Эфрос В. В. и др. Применение штифтовых свечей накаливания для улучшения пусковых качеств дизеля Д-37Е. // Тракторы и сельхозмашины, 1974, №8. с. 8-11.

77. Beller Т.А. Direct gas chrematographic analysis. Environm. Sci. And Technol., 1970, vol. 4, № 2, s. 12-14.

78. Meyer W.E. Temperature of compression at diesel starting. SAE Preprint, 1981, N272. s.42-47.

79. Missiles Rely on diesel generator Sets. Diesel Progress, 1988, N 8. s.3640.

80. Vich G.K. The role of the engine oil in cold weather starting. SAE Preprints, 1985, N 650. s.446-449.