Диссертационная работа:

Булыгин Юрий Игоревич. Основы моделирования внутрицилиндровых процессов и токсичности дизелей тепловозов : дис. ... д-ра техн. наук : 05.04.02 Ростов н/Д, 2006 328 с. РГБ ОД, 71:07-5/218

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 7

ВВЕДЕНИЕ 17

ГЛАВА I МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭКОНОМИЧНОСТИ И ЭКОЛОГИЧНОСТИ ДИЗЕЛЕЙ ТЕПЛОВОЗОВ 27

1.1 Уточнение размеров санитарно-защитных зон предприятий, эксплуатирующих маневровые и магистральные тепловозы.. 29

1.2 Исследования, направленные на повышение экономичности и экологичности дизелей тепловозов 36

1.2.1. Совершенствование рабочего процесса двигателя 39

1.2.2. Применение новых перспективных конструкций и схем работы ДВС 42

1.2.3. Регулирование углов опережения впрыска топлива 47

1.2.4. Использование новых или модернизованных топливных систем 49

1.2.5. Использование альтернативных и комбинированных видов топлив 50

1.2.6. Применение рециркуляции отработавших газов 53

1.2.7. Охлаждение свежего заряда и дросселирование на впуске дизеля 55

1.2.8. Системы нейтрализации и очистки отработавших газов дизелей тепловозов 55

1.3. О выборе критерия для выдачи разрешения на эксплуатацию тепловозов 70

1.3.1. Экологический контроль дизелей тепловозов 74

1. Методика безразборной диагностики и регулировки

1.4 Роль углубленного моделирования внутри цилиндровых процессов дизелей локомотивов 79

1.4.1. Особенности различных подходов к моделированию рабочего процесса тепловозного ДВС 81

1.4.2. Идентификация моделей рабочего процесса тепловозных дизелей и моделей образования вредных веществ 83

ГЛАВА II ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА И ТОКСИЧНОСТИ ДВС 86

2.1. История развития различных методов расчета рабочих процессов в тепловых двигателях 88

2.2. Описание моделей рабочих процессов в цилиндре ДВС... 94

2.2.1. Газодинамические модели в цилиндре 94

2.2.2. Модели теплообмена в двигателе 106

2.2.3. Модели процесса сгорания в двигателях ПО

2.3. Модели образования вредных веществ в ДВС 119

2.3.1. Основные положения физической модели образования окислов азота в цилиндре дизеля 119

2.3.2. Математическая модель образования термических окислов азота в цилиндре дизеля по А.С. Лоскутову 122

2.3.3. Методы расчета концентраций оксидов азота в поршневых ДВС на основе одно- и многозонных моделей 125

2.3.4. Модели сгорания топлива и образования вредных веществ Н.Ф. Разлейцева 127

2.3.5. Многозонная модель образования NOx МГТУ им. Баумана... 128

2.3.6. Математическая модель расчета продуктов сгорания топлива в тепловозных дизелях Е.И. Сковородникова 130

2.3.7. Физико-химическая модель процесса результирующего сажевыделения по P.M. Петриченко 131

2.4. Программные продукты, моделирующие рабочий процесс и токсичность ДВС 133

ГЛАВА III УГЛУБЛЕННЫЕ МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА СГОРАНИЯ И ТОКСИЧНОСТИ ДВС... 138

3.1. Математическая модель химической кинетики: общие положения 139

3.2. Математическая модель турбулентности 142

3.3. Математическая модель испарения топливных капель 143

3.4. Некоторые частные математические модели рабочих процессов 144

3.5. Элементарные химические процессы в поршневых ДВС (кинетическое описание) 146

3.5.1. Требования к кинетической схеме химических превращений 146

3.5.2. Принципы отбора кинетических данных 147

3.5.3. Получение недостающей кинетической информации 148

3.5.4. Образование окислов азота при горении моторных топлив (кинетическая схема и константы реакций) 149

3.5.5. Химические реакции, определяющие кинетику горения в дизеле 150

3.5.6. Специфика химизма горения в дизелях 153

3.6. Полуэмпирическая квазигазодинамическая модель 158

3.7. Статическая термодинамическая и термохимическая модели 164

3.8. Модель закаливания оксидов азота в камере сгорания 173

3.8.1. Кинетика образования оксида азота по Я.Б.Зельдовичу, модифицированная для учета гибели N0 173

3.8.2. Алгоритм идентификации брутто-модели токсичности ДВС по окислам азота 176

3.8.3. Получение зависимостей динамики изменения выбросов N0 от угла поворота коленчатого вала тепловозного дизеля

ГЛАВА IV КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА И ТОКСИЧНОСТИ ДВС 187

4.1. Практическая ценность и результаты апробации каркасной модели 189

4.2. Иерархия и свойства компьютерных моделей горения в поршневых ДВС 190

4.2.1. Базовые уравнения для частных моделей рабочего процесса в ДВС 192

4.2.2. Модель рабочего процесса для поршневых двигателей с внешним или очень быстрым смесеобразованием 195

4.2.3. Модель горения, сдерживаемого процессом смесеобразования 200

4.2.4. Модель термохимии 205

4.2.5. Моделирование энергетических показателей ДВС 209

4.2.6. Моделирование экологических показателей 211

4.3. Программная реализация моделей рабочего процесса 214

4.3.1 Программная реализация матстатистических моделей токсичности 225

ГЛАВА V ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ КОМПЬЮТЕР НОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ИХ СРАВНЕНИЕ С ДАН НЫМИ ФИЗИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ, ЭКОНО МИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ОТ РЕГУЛИРОВАНИЯ УОВ ТОПЛИВА 226

5.1. Тестирование и апробация автоматизированной системы ENGINE 226

5.1.1. Проверка адекватности моделей по техническим параметрам ДВС 226 показателям работы ДВС 238

5.1.3. Анализ результатов расчета, полученных по различным ПП и сравнение их с экспериментальными данными и нормативами на выбросы 250

5.2. Результаты компьютерных экспериментов 253

5.2.1. Оптимизация угла опережения впрыска топлива дизеля 253

5.2.2. Оптимизация рабочего процесса ДВС на альтернативных и комбинированных топливах 264

5.2.3. Исследование эффективности работы дизелей тепловозов при частичных нагрузках (по тепловозной характеристике) 275

5.2.4. Перспективность применения аккумуляторных топливных систем для тепловозов 287

5.2.5. Исследование эффективности рециркуляции отработавших газов ДВС тепловозов 293

5.2.6. Перспективы использования разработанных программных продуктов для диагностики и в исследовательских целях... 297

5.2.7. Экономический эффект от внедрения способа регулирования УОВ топлива по технико-экологическим показателям 300

ВЫВОДЫ 309

ЛИТЕРАТУРА 311 

Актуальность темы. В основных направлениях охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов в России на период до 2010 года в разделе научных исследований отмечено, что необходимо предусмотреть использование экологически безопасных видов топлива (альтернативных нефтяным), а также создать высокоэффективные системы для предотвращения выбросов вредных веществ с отработавшими газами (ОГ) двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Программа ОАО РЖД "Создания и освоения производства новых локомотивов в 2004-2010 г.г." также предусматривает ужесточение технических требований к тепловозам, в части соблюдения действующих стандартов по экологии. Естественно, что решение столь серьезных задач невозможно без использования современных способов и средств математического моделирования внутрицилиндровых процессов ДВС. Среди его разновидностей особо широкое распространение получило имитационное математическое моделирование (ИММ), которое в значительной степени сопряжено с использованием ЭВМ.

Работа посвящена разработке современных методов математического моделирования применительно к исследованию внутрицилиндровых процессов в ДВС. Представленные имитационные математические и компьютерные модели (ИММ) процесса горения в двигателях, в том числе химической кинетики, термохимии и квазигазодинамики направлены на решение задач оптимизации энерго-экологических показателей работы тепловозных двигателей. Подробно описаны методики расчета и их программная реализация, адаптированная под конкретные инженерно-исследовательские цели.

Актуальность разработанных моделей подтверждается необходимостью сократить сроки проектирования и стоимость разработки новых конструкций ДВС, а также возможностью решать сложные оптимизационные задачи при конструировании перспективных двигателей и модернизации существующих.

моделей и разработанных компьютерных программ для целей технической диагностики тепловозных дизелей на реостатных станциях и пунктах экологического контроля (ПЭК) дизельной техники железнодорожного транспорта. Работа выполнялась при финансовой поддержке Минобразования России по гранту "Российские университеты" в 2001-2002 гг. по теме: "Разработка теоретико-методических основ повышения экологических и экономических характеристик наземного транспорта с целью снижения воздействия вредных выбросов в атмосферу современного мегаполиса".

Научная новизна. Разработаны углубленные математические модели расчета рабочего процесса ДВС (химической кинетики и термохимическая), позволяющие производить комплексный анализ энерго-экологических показателей транспортных двигателей; создан компьютерный продукт, позволяющий осуществлять расчеты во всех эксплуатационных режимах работы тепловозов для различных видов топлив, с возможностью оптимизации фазовых характеристик процесса топливоподачи; предложен способ регулирования угла опережения впрыска (УОВ) топлива тепловозного дизеля при проведении реостатных испытаний и на пунктах экологического контроля; уточнены и выбраны критерии, позволяющие оценить степень вредного воздействия тепловоза на состояние окружающей среды; предложены методы и способы оценки степени улучшения технико-экологических показателей работы дизелей тепловозов.

Объектом исследования является теплосиловая установка тепловоза, включающая в себя ДВС. Предметом исследования являются внутрицилиндровые процессы и процессы образования токсичных веществ ДВС. Методы исследования. Для выполнения работы применялись, разработанные компьютерные модели, обобщающие произведенные ранее исследования и учитывающие до 400 химических реакций горения в камере сгорания ДВС, также использовались методы математической статистики и обработки натурных испытаний тепловозов. Идентификация разработанных 1 f Л ГГЛГТЛТ» І-»»» ни»»»""»-— — — — ОГ дизелей тепловозов производилась на основе обширного эмпирического материала, полученного при испытаниях тепловозов автором и другими исследователями.

Целью исследования является повышение экономичности и экологичности дизелей тепловозов путем использования углубленных комплексных математических моделей рабочего процесса, обладающих прогностическими свойствами и способных корректно определять энергоэкологические и экономические показатели тепловозных дизелей.

Задачи исследования. В связи с указанной целью поставлены следующие основные задачи:

- систематизировать и провести анализ эффективности различных методов и способов повышения экономичности и экологичности дизелей тепловозов;

доказать перспективность использования компьютерного моделирования для достижения целей и задач, поставленных в диссертационной работе;

- провести обзор и анализ современного состояния в области моделирования рабочих процессов ДВС и моделей образования вредных веществ;

- разработать детальные химкинетические модели горения топлива в камере сгорания ДВС, а также термохимическую модель, позволяющую оценивать состав и количество вредных веществ при сгорании топлив альтернативных нефтяным;

- разработать компьютерные модели (программные продукты), имитирующие внутрицилиндровые процессы, протекающие в тепловозном дизеле с целью дальнейшего их внедрения на ПЭК и реостатных станциях локомотивных депо в качестве аналитических средств оценки технико- экологических показателей работы тепловозных ДВС;

- использовать созданные компьютерные программы, обладающие повышению эффективности и экологичности дизелей тепловозов.

Достоверность исследований доказана применением фундаментальных физико-химических закономерностей при исследовании процесса сгорания топлива, а также путем сравнительного анализа результатов расчетов с данными реостатных испытаний и экологического контроля тепловозов. Погрешность моделирования энерго-экологических характеристик тепловозных двигателей, полученная при сравнении результатов теоретических расчетов по разработанным моделям с данными технических экспериментов не превышает 5-10%.

На защиту выносятся следующие положения:

1 .Детальная химкинетическая модель процесса сгорания углеводородного топлива в цилиндре дизеля.

2.Термохимическая модель рабочего процесса и образования продуктов сгорания ДВС.

3.Квазигазодинамическая модель рабочего процесса двигателя.

4.Матстатистическая модель закаливания оксидов азота в камере сгорания двигателя.

5.Автоматизированная система ENGINE расчета энерго-экологических параметров ДВС.

б.Метод регулирования УОВ топлива двигателя по оптимальным эколого-экономическим показателям.

7.Методика расчета санитарно-защитных зон предприятий, эксплуатирующих тепловозы.

8. Методика регулирования двигателя по технико-экологическим показателям с использованием метода отключения одного из цилиндров.

Практическая ценность и область применения результатов исследования.

1. Разработаны компьютерные программы для реализации моделей, основанных на современных физико-химических представлениях о рабочем энерго-экологических и экономических показателей работы двигателей при испытаниях тепловозов.

2. Разработана автоматизированная система (АС) расчета тепловых двигателей, по энергетическим и экологическим показателям, которая может быть использована не только на двигателестроительных заводах при проектировании конструкций тепловых машин, но также во время эксплуатационных испытаний известных конструкций в целях диагностики тепловозных дизелей.

3. Предложен способ регулирования оптимального УОВ топлива, позволяющий определять влияние всего спектра вредных веществ на экологические и мощностные показатели двигателя и обеспечивающий снижение токсичности выбросов ДВС во всем диапазоне нагрузок.

4. По результатам численных экспериментов при моделировании и на основе статистических данных о натурных испытаниях тепловозных дизелей даны рекомендации по возможности и эффективности применения на транспортных средствах альтернативных и комбинированных видов топлив, определены оптимальные составы комбинированных топлив и степени рециркуляции ОГ, обеспечивающие снижение токсичности тепловозов.

5. По результатам модельных расчетов сделаны выводы о перспективности использования аккумуляторных топливных систем на маневровых тепловозах.

6. Доказана эффективность работы тепловозных дизелей при регулировании степени сжатия, УОВ топлива и продолжительности подачи, предложены варианты настройки топливной аппаратуры для дизелей тепловозов 10Д100, 2ТЭ116 и ЧМЭЗ, обеспечивающие снижение удельных расходов топлива и количества вредных веществ в ОГ.

7. Предложена методика оценки степени воздействия тепловозов на окружающую среду, предусматривающая расчет количества вредных выбросов от дизелей тепловозов и их рассеивание в атмосфере, определены размеры санитарно-защитных зон (СЗЗ) предприятий, эксплуатирующих тепловозы, выработаны рекомендации к их обустройству.

Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались, обсуждались и получили одобрение на:

- Международной научно-практической конференции "Энергетика, экология, безопасность" (г. Ростов-на-Дону, РГУ ПС, 1997г.);

- Ш-ей Международной научно-технической конференции "Новые технологии управления движением технических объектов" СКНЦ ВШ (г. Новочеркасск, 2000г.);

- заседаниях кафедры "Двигатели внутреннего сгорания" (г. Новочеркасск, ЮРГТУ, 2000г., 2006г.);

- XVI-ой Международной научной конференции "Математические методы в технике и технологиях" (г. Ростов-на-Дону, РГАСХМ ГОУ, 2003 г.);

- Научно-технических советах в НИИ и ПМ РГУ "Экология транспорта" (г. Ростов-на-Дону, РГУ, 2003г., 2005г.);

- заседании кафедры "Поршневые двигатели" (Э-2) МГТУ им. Н.Э. Баумана (г. Москва, МГТУ, 2005г.);

- Всероссийской научно-практической конференции "Транспорт-2005" (г. Ростов-на-Дону, РГУ ПС, 2005г.);

- открытом межкафедральном семинаре кафедр "Безопасность жизнедеятельности и защита окружающей среды" ДГТУ, "Теплоэнергетика на железнодорожном транспорте" РГУ ПС, "Сельскохозяйственные машины и оборудование в полеводстве" ДГТУ, "Металлорежущие станки и инструмент" ДГТУ, "Электрические машины и аппараты" РГУПС, "Экология транспорта" НИИ и ПМ РГУ (г. Ростов-на-Дону, ДГТУ, 2005г.);

- Межвузовской научно-технической конференции ППС, студентов и аспирантов (г. Ростов-на-Дону, ДГТУ, 2006г);

- заседании кафедры "Локомотивы" СамГАПС (г. Самара, 2006 г.);

- Научно-техническом совете ФГУП ВНИКТИ (г. Коломна, Московская Публикации. По материалам диссертации опубликовано 39 печатных работ, в том числе 2 монографии, получены два патента на изобретения, два авторских свидетельства и авторское право на программный продукт.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованных литературных источников. Материал диссертации содержит 328 страниц машинописного текста, 29 таблиц, 58 рисунков, список библиографических источников из 187 наименований. Отдельное приложение на 220 страницах.

В первой главе всесторонне проанализированы различные методы и способы повышения экономичности и экологичное™ дизелей подвижного состава железных дорог. Из имеющихся методов особо выделяется наиболее действенный способ борьбы с выбросами вредных веществ - в самом источнике их возникновения, т.е. непосредственно в камере сгорания тепловозного дизеля. При этом делается вывод о перспективности использования математического и компьютерного моделирования для решения различных задач оптимизации рабочего процесса ДВС по технико-экологическим показателям.

Во второй главе выполнен подробный литературный обзор и анализ используемых в России и мире научных подходов к моделированию рабочего процесса в ДВС. Описаны газодинамические модели в цилиндре ДВС, модели теплообмена, сгорания в двигателях, образования вредных веществ, а также программные продукты, моделирующие рабочий процесс в ДВС.

По результатам этого анализа сформулированы исходные требования к инженерным компьютерным моделям горения и обозначены перспективы их использования, в том числе для экологических целей и в технико-математическом эксперименте. В результате сопоставления достоинств и недостатков имеющихся методов моделирования с учетом, имеющихся теоретико-методических заделов, разработаны требования к созданию современных математических и компьютерных моделей, адекватно описывающих реальные внутрицилиндровые процессы в дизеле.

и термохимии и позволяют определять весь спектр энергетических, экономических и экологических характеристик тепловых двигателей на различных эксплуатационных режимах работы дизелей тепловозов.

В третьей главе диссертационной работы представлены разработанные углубленные математические модели рабочего процесса в ДВС. При создании моделей было уделено более серьезное внимание рассмотрению процессов горения в камере сгорания двигателя с позиций неравновесной химической кинетики. В детальной химкинетической модели учитываются до 400 химических реакций горения углеводородного топлива. Представлено подробное описание кинетической схемы горения. Рассмотрены также модели турбулентности, испарения топливных капель в камере сгорания тепловозного дизеля и полуэмпирическая квазигазодинамическая модель. Описаны статическая термодинамическая и термохимическая модели. Представлена разработанная модель образования и гибели оксидов азота в камере сгорания дизеля, учитывающая их "закаливания" в камере сгорания (КС) ДВС. Описанный в диссертации алгоритм инициализации ИММ образования окислов азота в ДВС представляет собой метод каскадной (двухэтапной) факторизации. При реализации данного метода на основе обширного эмпирического материала по выбросам модель идентифицировалась.

Четвертая глава целиком посвящена компьютерным моделям рабочего процесса в ДВС, требующим для своей реализации ЭВМ. В частности, подробно описана иерархия моделей этого сорта, сконструированных как для целей технической диагностики и оптимизации рабочего процесса двигателя, так и для исследовательских нужд в области транспортной экологии. Описаны свойства этих моделей и области применения. Кроме того, показана возможность использования программных продуктов, реализующих математические модели расчета рабочего процесса в ДВС в системах автоматизированного проектирования тепловых двигателей и при исследовании новых конструкций дизелей, а также в целях технической диагностики ТЙПППТЗЛ ЗиЧУ nuoonafi Практические результаты компьютерного моделирования и их сравнение с данными физических экспериментов и результатами, полученными по другим моделям, составляют предмет пятой главы. Произведена проверка адекватности моделей по технико-экологическим показателям, которая подтвердила высокую эффективность произведенных расчетов (погрешность 5-Ю %). Описаны полученные расчетным путем результаты, представляющие собой как чисто научный, так и прикладной интерес. Намечены направления практически ориентированных исследований энерго-экологических характеристик тепловозных дизелей посредством численных экспериментов на ПЭВМ. Прежде всего, рассматривается вопрос возможности внедрения разработанной АС ENGINE в программное обеспечение Методики безразборной диагностики дизелей тепловозов по технико-экологическим параметрам на реостатных станциях и ПЭК.

В пятой главе диссертации рассматриваются вопросы, связанные с:

- оптимальной настройкой топливной аппаратуры тепловозного дизеля;

- применением на транспорте альтернативных и комбинированных видов топлива;

- возможностью рециркуляции отработавших газов тепловозных дизелей;

- перспективностью применения аккумуляторных топливных систем;

- возможностью использования моделей для целей инженерной экологии (расчет СЗЗ локомотивных депо).

Также определен экономический эффект от внедрения на реостатных станциях и ПЭК способа регулирования УОВ топлива по минимуму эколого-экономического коэффициента (ЭЭК).

В заключении намечены перспективы использования разработанных программных продуктов для исследовательских целей и сформулированы выводы.

Результаты расчетов СЗЗ локомотивных депо, эксплуатирующих тепловозы, протоколы испытаний дизелей тепловозов, приборное обеспечение, схемы горения углеводородного топлива, результаты компьютерного моделирования и их сравнение с данными физических экспериментов, а также документы, подтверждающие использование и внедрение разработанных ПП содержатся в отдельно выполненном Приложении (том 2) к диссертации.