Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Тепловые двигатели

Диссертационная работа:

Апелинский Дмитрий Викторович. Повышение эффективности нейтрализации отработавших газов бензинового двигателя на режимах холодного пуска и прогрева : Дис. ... канд. техн. наук : 05.04.02 : Москва, 2003 135 c. РГБ ОД, 61:04-5/1143

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Стр.

Список основных сокращений и условных обозначений 5

ВВЕДЕНИЕ 7

ГЛАВА 1. ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОНВЕКРСИИ
СО, СН В НЕЙТРАЛИЗАТОРЕ НА РЕЖИМАХ ХОЛОДНОГО ПУСКА
И ПРОГРЕВА
11

  1. Нормативные требования на выброс вредных веществ автомобильными бензиновыми двигателями 11

  2. Особенности режимов холодного пуска и прогрева двигателя 12

  3. Каталитическая нейтрализация вредных веществ отработавших

газов 16

  1. Методы снижения выбросов СО, СН при пуске и прогреве двигателя 20

  2. Математическое моделирование как способ достижения цели диссертационного исследования 23

  1. О моделировании рабочего цикла ДВС искрового зажигания 24

  2. О моделировании процессов теплообмена и конверсии вредных

веществ в выпускной системе 28

1.6. Выводы по главе 30

1.7. Цель и задачи диссертационного исследования 31

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОНВЕРСИИ СО, СН В НЕЙТРАЛИЗАТОРЕ НА РЕЖИМАХ ХОЛОДНОГО ПУСКА И

ПРОГРЕВА 33

2.1. Математическая модель рабочего цикла ДВС искрового

зажигания 33

  1. Математическая модель процесса газообмена 34

  2. Математическое моделирование процесса сжатия 44

  3. Математическая модель процесса сгорания-расширения 45

Стр. 2.1.4. Математическая модель процесса теплообмена рабочего тела

со стенками камеры сгорания 52

  1. Математическая модель процессов теплообмена в системе выпуска отработавших газов 57

  2. Математическая модель конверсии СО, СН в нейтрализаторе 65

  3. Математическая модель электрического разогрева подогревателя 72

  4. Программная реализация математических моделей и методика проведения теоретических исследований 74

  5. Расчетная оценка путей повышения эффективности разогрева нейтрализатора 78

  6. Теоретическое исследование возможности СВЧ разогрева 84

2.8. Выводы по главе 86

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 87

  1. Экспериментальное оборудование и достоверность полученных результатов 87

  2. Методика проведения испытаний 91

  1. Исследование влияния условий прогрева двигателя на эффективность конверсии СО, СН в нейтрализаторе 91

  2. Исследование возможности повышения эффективности разогрева нейтрализатора путем использования СВЧ-энергии 94

  3. Разработка системы электрического разогрева нейтрализатора 98

  1. Оптимизация массогабаритных показателей подогревателя.ЛОІ

  2. Оптимизация подачи дополнительного воздуха и электроэнергии 102

ГЛАВА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАГНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОНВЕРСИИ СО, СН В НЕЙТРАЛИЗАТОРЕ НА РЕЖИМАХ ХОЛОДНОГО ПУСКА И

ПРОГРЕВА 105

4.1. Оценка достоверности разработанных математических моделей 105

4 Стр.

4.2. Влияние условий прогрева двигателя на эффективность конверсии

СО, СН в нейтрализаторе 106

  1. Влияние сверхвысокочастотной энергии на эффективность разогрева нейтрализатора 111

  2. Исследование системы электрического разогрева нейтрализатора 114

  1. Влияние массогабаритных показателей подогревателя на время разогрева и потребляемую электроэнергию 115

  2. Влияние стратегии подачи дополнительного воздуха и электроэнергии на время разогрева и потребляемую мощность 117

  3. Оценка энергетических показателей двигателя, оборудованного нейтрализатором с электрическим разогревом 120

Результаты работы и выводы 122

ЛИТЕРАТУРА 124

Список основных сокращений и условных обозначений

СИМВОЛ

а - коэффициент температуропро-водности рабочего тела (м /с) а"- локальная скорость звука (м/с) ст- средняя скорость поршня (м/с)

с - теплоёмкость ( Дж /(кг К)) С - объемная концентрация газа (%) D - диаметр цилиндра (м) Dj- диаметр выпускного трубопровода (м) Dj- коэффициент диффузии (м /с)

f - коэффициент трения AF - площадь элемента блока подвергнутого теплопередаче (м ) GBn,GBbm- расход газа во впускных

и выпускных органах (кг/ч) Gaz,Gb - расход воздуха и продуктов сгорания при забросе рабочего заряда во впускной тракт (парциальный расход) (кг/ч) Ga,in>Gb,o»t- расход воздуха и продуктов сгорания во впускных и выпускных органах (парциальных расход) (кг/ч) h - энтальпия (Дж/кг)

Ни- низшая теплота сгорания топлива (Дж/кг) т\- масса газа в камере сгорания к

моменту начала процесса сгорания (кг)

ть- текущая масса сгоревшей смеси (кг) титекущая масса несгоревшей

смеси (кг)

Мj - молекулярная масса (кг/моль)

т0- масса рабочего тела (кг)

mcf- цикловая доза топлива (кг)

mrh- масса продуктов сгорания от предыдущего цикла (кг) mQa- масса воздуха в цилиндре к моменту окончания сжатия (кг) maz- масса воздуха, заброшенного

из цилиндра во впускной тракт (кг) mbz- масса продуктов сгорания, заброшенных из цилиндра во впускной тракт (кг) Nu - число Нуссельта Р - давление газа (атм, МПа) рпр{(р)- давление рабочего тела в

цилиндре при проворачивании вала

(МПа)

Р* - критическое давление (МПа)

Реып~ давление в выпускном коллекторе или перед турбиной (МПа) Рг - число Прандтля Q - количество теплоты (Дж) Qw- количество теплоты, передаваемой в стенки (Док) R - газовая постоянная (Док/(кг -К)) Ra- число Ралея Re- число Рейнольдса га, гь- весовые доли продуктов сгорания и остаточного воздуха rsa- весовая часть воздуха, содержащаяся в свежем заряде, поступившем в цилиндр rsf— весовая часть паров топлива,

содержащаяся в свежем заряде, поступившем в цилиндр Sc- число Шмидта Sh- число Шервуда Twi- мгновенное значение температуры огневой поверхности (К)

и - внутренняя энергия (Дж)

U - скорость газа (м/с)

Vh - рабочий объем цилиндра 3)

ГРЕЧЕСКИЕ БУКВЫ

с - коэффициент избытка воздуха aj - коэффициент теплоотдачи

(Вт/(м2-К))

Р - коэффициент объёмного теплового расширения y(j) = Cp(T)ICv(T) - показатель

адиабаты.

уг- коэффициент остаточных газов

є - степень сжатия

є' - шероховатость поверхности (м)

rjv - коэффициент наполнения

0- угол опережения зажигания [град]

X - коэффициент теплопроводности газа (Вт/(м -К))

Хк - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна х - молярная масса (///)- коэффициенты расхода органов впуска и выпуска //^-динамическая вязкость

(кг/(м-с))

v - кинематическая вязкость (м /с)

(7= 5.67» 10" - постоянная Стефана-Больцмана (Вт/(м24))

GE - КОЭффиЦИеНТ ИЗЛучеНИЯ

(Вт/(м24))

xj (/) - коэффициент выгорания топлива

р - плотность [кг/м3] со - приведённая скорость рабочего тела

(р - угловое положение коленчатого вала f п. к. е.)

АББРЕВИАТУРЫ

АКБ - аккумуляторная батарея ОГ- отработавшие газы ТВС- топливовоздушная смесь СО- углекислый газ СН- углеводороды NOx- окислы азота РХ1Ш- режимы холодного пуска и прогрева

ДУ— дифференциальное уравнение УОЗ- угол опережения зажигания NEDC- новый ездовой цикл (New European Driving Cycle) (исключены 40 сек прогрева) UDC- городской ездовой цикл (Urban Driving Cycle) EUDC- скоростной ездовой цикл (Extra Urban Driving Cycle) СУРН- система ускоренного разогрева нейтрализатора

НИЖНИЙ ИНДЕКС

а - воздух

cva— конвекция

g - отработавшие газы

/- пространственная сетка

ip - внутренняя поверхность трубы

j- ]_ый газовый компонент

gp между газом и стенкой трубы

(от газа к стенке)

ор - наружная поверхность трубы

р- труба

j-ый - излучение

геас - химическая реакция

5- поверхность нейтрализатора

sat - насыщение

v- пар

in - внутренний

out наружный

Введение к работе:

Прогрессирующее загрязнение окружающей среды и рост мирового автопарка заставляет правительства разных стран ужесточать законодательные ограничения на выброс вредных веществ с отработавшими газами двигателя. Так за последние пятнадцать лет предельно допустимые нормы на выброс вредных веществ в Европе были уменьшены в семь-восемь раз, и эта тенденция сохраняется. Кроме того, помимо введения более строгих норм, меняются и процедуры сертификации на соответствие этим нормам. Так, начиная с правил Евро 3, исключен 40с прогрев двигателя перед выполнением ездового цикла, а в правила Евро 4 введены холодные испытания автомобиля с бензиновым двигателем при температуре -7С.

Внесение этих изменений заставляет автопроизводителей во всем мире уделять особое внимание повышенному выбросу СО и СН во время холодного пуска и прогрева двигателя. Дело в том, что выбросы углеводородов во время первой фазы городского ездового цикла составляют 60-80% от суммарного количества за все испытание и пропорционально возрастают при понижении температуры двигателя. Причем основная доля выбрасывается в первые 40с. Объясняется, это, во-первых, необходимостью обогащения топливовоздуш-ной смеси на непрогретом двигателе, т. е. повышенной неполнотой сгорания, а, во-вторых, температура нейтрализатора в этот период меньше 250-300С, т. е. меньше температуры, необходимой для начала эффективных реакций окисления.

Для уменьшения выбросов СО, СН на режимах холодного пуска и прогрева (РХПП) необходимо в комплексную антитоксичную систему автомобиля ввести систему, повышающую эффективность разогрева нейтрализатора.

Один из путей, позволяющих ускорить разогрев нейтрализатора, - это повышение температуры отработавших газов (ОГ) на входе в нейтрализатор. Однако их температура зависит от множеств факторов (от регулировок и режима работы двигателя, от местоположения нейтрализатора, от конфигурации

выпускной системы и т. д.). Поэтому доводка системы ускоренного разогрева нейтрализатора (СУРН) должна проводиться для каждого конкретного автомобиля, что требует огромного количества экспериментальных исследований. В данной работе для уменьшения затрат времени, финансов и труда при проектировании СУРН использовался расчетно-экспериментальный метод исследования. Т. е. основная масса исследований проводилась на математических моделях, после чего экспериментально проверялась их адекватность и проводилась экспериментальная доводка системы.

Для проведения исследований был разработан комплекс математических моделей, включающий модель рабочего цикла ДВС искрового зажигания, модель процессов теплообмена в системе выпуска ОГ, модель каталитической конверсии СО, СН в нейтрализаторе и модель электрического разогрева подогревателя. При разработке комплекса математических моделей требовалось учесть всю совокупность процессов, происходящих на режимах холодного пуска и прогрева (РХПП).

В результате анализа известных математических моделей рабочего цикла ДВС искрового зажигания было установлено, что в большинстве случаев они предназначены для моделирования лишь полных и средних нагрузок. Реально же в условиях городского движения и в частности при прогреве двигателя, большую часть времени составляют режимы малых нагрузок и холостого хода. Анализ же известных математических моделей, предназначенных для моделирования температуры ОГ перед нейтрализатором, показал, что они имеют повышенное расхождение с экспериментом. Одна из причин этого расхождения - это недостаточно точное описание происходящих процессов. Так, например, не учитывается конденсация водяных паров на внутренней поверхности выпускного тракта, существенно влияющая на интенсивность процесса теплопередачи. Поэтому при разработке математических моделей были учтены отмеченные недостатки.

На базе разработанного комплекса математических моделей был создан комплекс прикладных программ, позволяющий существенно сократить затра-

ты времени при проектировании и доводке систем ускоренного разогрева нейтрализатора (СУРН).

В ходе теоретических исследований изучалось влияние на эффективность конверсии СО, СН в нейтрализаторе таких факторов как угол опережения зажигания (УОЗ), нагрузка на двигатель, состав смеси, частота вращения коленчатого вала двигателя, фаз газораспределения, длины и термоизоляции выпускного тракта

Проведенные расчетно-экспериментальные исследования показали, что ни изменение условий прогрева двигателя, ни уменьшение потерь тепла в выпускном тракте не обеспечили заданного повышения температуры. На основании чего был сделан вывод о том, что для достижения требуемого закона изменения эффективности конверсии СО, СН необходимо подводить энергию из дополнительного источника.

Поэтому на следующем этапе работы был опробован разогрев керамических шариковых и блочных носителей катализатора с помощью СВЧ излучения. Исследовалось влияние формы волноводов, массы разогреваемого вещества и объема рабочей камеры нейтрализатора на эффективность его разогрева. Проведенные исследования показали, что для быстрого разогрева нейтрализатора необходимо изготавливать блочный носитель катализатора из специальной электротехнической керамики, хорошо разогреваемой СВЧ излучением. Однако изготовление такого блока представляет определенные трудности, хотя и является перспективным.

Задачей следующего этапа исследований являлось, используя электроэнергию, повысить температуру ОГ на входе в нейтрализатор. Теоретические исследования показали, что при установке на входе в нейтрализатор электрической спирали, возможно повысить температуру ОГ за ней до 300С примерно за 15с. Для этого, с учетом подачи дополнительного воздуха, требуется 1,5 кВт электрической мощности в течение 25с. Однако возможно уменьшить потребляемую мощность до 1кВт при оптимизации УОЗ, стратегии подачи дополнительного воздуха и электроэнергии.

Для проверки отмеченных предположений была разработана конструкция нейтрализатора и проведены ее моторные испытания на стенде с электрическим тормозным устройством. В ходе работы была получена информация о влиянии количества ячеек, толщины и ширины ленты подогревателя; о влиянии стратегии подачи дополнительного воздуха и электроэнергии на потребляемую мощность и время разогрева до заданной температуры.

Проведенные исследования показали, что эксперимент полностью подтверждает теорию, т. е. использование системы электрического разогрева нейтрализатора позволяет достичь 50% эффективность конверсии СО в первые 40с прогрева при испытании на моторном стенде с электрическим тормозным устройством (цель, поставленная перед данной работой, выполнена). На основании чего можно предположить, что введение подобной системы в антитоксичную систему автомобиля позволит выполнить нормативные требования правил для транспортных средств категорий Mi и Ni класс 1 (массой до 1305 кг) с двигателями искрового зажигания при испытаниях по городскому ездовому циклу при температуре -7С.

Подобные работы
Павлов Денис Александрович
Снижение выбросов углеводородов на режимах пуска и прогрева бензинового двигателя добавкой водорода в топливовоздушную смесь
Разношинская Алена Викторовна
Повышение эффективности утилизации теплоты и нейтрализации отработавших газов поршневых ДВС путем демпфирования колебаний их температуры
Бурков Владимир Иванович
Улучшение экологических показателей двигателя с принудительным зажиганием путем совершенствования системы каталитической нейтрализации отработавших газов
Бобков Александр Викторович
Повышение эффективности малоразмерных центробежных насосов авиакосмических энергосиловых установок и систем терморегулирования
Бебнев Владимир Александрович
Разработка и исследование сепараторов со свободновращающимися осевыми рабочими колесами с целью повышения эффективности и надежности паротурбинных установок
Любов Виктор Константинович
Изучение особенностей горения крупных частиц натурального топлива с целью повышения эффективности работы вихревых топок ЛПИ
Жуковский Валериан Федорович
Повышение эффективности эксплуатации агрегатов с мощным радиально-осевыми гидротурбинами на основании их исследований на гидроэлектростанциях
Султанов Тимур Фаритович
Повышение эффективности снижения вредных выбросов поршневых ДВС с каталитическим нейтрализатором за счет стабилизации температуры отработавших газов
Медведев Евгений Владимирович
Повышение эффективности неустановившихся режимов работы дизеля 8Ч13/14 добавкой сжиженного нефтяного газа к топливу
Русинов Александр Рудольфович
Повышение эффективности работы дизеля добавкой легких синтетических парафиновых углеводородов в дизельное топливо

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net