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:

Голиков Владимир Павлинович. Улучшение экологических и топливно-экономических показателей транспортного дизеля за счет применения рециркуляции отработавших газов и совершенствования рабочих процессов : Дис. ... канд. техн. наук : 05.04.02 : Ярославль, 2004 170 c. РГБ ОД, 61:05-5/457

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 5

ГЛАВА 1. ПУТИ УЛУЧШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ И ТОПЛИВНО-

ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ДИЗЕЛЕЙ 12

1.1. Особенности образования токсичных компонентов

отработавших газов в дизеле 12

1.2. Способы снижения токсичности отработавших газов

и улучшения топливной экономичности дизелей 17

  1. Формирование оптимальных рабочих процессов в дизеле 18

  2. Угол опережения впрыскивания топлива 26

  3. Коэффициент избытка воздуха 29

  4. Интенсивность «закрутки» воздушного заряда 31

  5. Давление впрыскивания топлива 33

  6. Количество и диаметр сопловых отверстий в распылителе 39

  7. Размеры и форма камеры сгорания в поршне 42

  8. Степень сжатия 45

1.3. Опыт применения рециркуляции отработавших газов в дизелях .... 47

1.3.1. Снижение токсичности отработавших газов

при использовании РОГ 47

1.3.2. Анализ существующих схем системы РОГ

для использования в дизеле с турбонаддувом 56

1.4. Анализ математических моделей рабочих процессов дизеля

и некоторые результаты их использования 64

Выводы к первой главе 71

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ОРГАНИЗАЦИИ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ
В ПЕРСПЕКТИВНОМ ТРАНСПОРТНОМ ДИЗЕЛЕ С
РЕЦИРКУЛЯЦИЕЙ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ 74

  1. Совершенствование процессов смесеобразования и сгорания в транспортном дизеле 74

  2. Формирование рабочих процессов в транспортном дизеле

при использовании рециркуляции отработавших газов 81

  1. Улучшение топливной экономичности дизеля за счёт уменьшения коэффициента избытка воздуха при использовании РОГ 85

  2. Методика расчёта количества отводимой с ОГ

теплоты в дизеле при использовании РОГ . 88

2.5. Характеристики управления основными регулировками процесса
сгорания в транспортном дизеле в зависимости от нагрузочного и
скоростного режима работы 92

Выводы ко второй главе 95

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
ТРАНСПОРТНОГО ДИЗЕЛЯ С СИСТЕМОЙ РЕЦИРКУЛЯЦИИ
ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ 97

  1. Объект исследований и испытательное оборудование 97

  2. Результаты испытаний транспортного дизеля 6ЧН 13/14 102

3.2.1. Исследование дизеля в комплектации с системой РОГ

и опытным турбокомпрессором ТКР 9 102

3.2.2. Исследование дизеля в комплектации с системой РОГ

и турбокомпрессором с HIT 106

3.2.3. Исследование дизеля в комплектации без системы РОГ и

с серийным турбокомпрессором ТКР 9 109

3.2.4. Индицирование давлений в цилиндре дизеля

при использовании РОГ 110

3.3. Анализ результатов испытаний дизеля 6ЧН 13/14 с РОГ , 112

4 3.4. Расчёт количества отведённой с выхлопными газами

теплоты в дизеле при использовании РОГ 115

Выводы к третьей главе 118

ГЛАВА 4. РАСЧЁТНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ

ТРАНСПОРТНОГО ДИЗЕЛЯ С РЕЦИРКУЛЯЦИЕЙ

ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ 121

  1. Проверка адекватности математической модели при моделировании рабочих процессов в ТД с системой РОГ высокого давления ... 122

  2. Расчётное определение оптимальных конструктивных

и регулировочных параметров дизеля с РОГ 125

4.2.1. Методика расчётной оптимизации основных параметров
рабочих процессов дизеля с системой РОГ высокого давления

с соплом Вентури 125

4.2.2. Выбор и оптимизация параметров рабочих процессов дизеля

6ЧН 13/14 с системой РОГ высокого давления .. . 127

Выводы к четвёртой главе 137

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 138

ЛИТЕРАТУРА 140

ПРИЛОЖЕНИЕ 155

Введение к работе:

В настоящее время дизельный двигатель занимает доминирующее положение среди существующих энергетических установок с мощностью больше 120 кВт в секторе автомобильного транспорта. Основными направлениями совершенствования показателей транспортных дизелей (ТД) являются: снижение токсичности отработавших газов (ОГ), уменьшение удельного эффективного расхода топлива, уровня вибрации и шумности двигателя, удельной массы двигателя, срока службы моторного масла, а также увеличение литровой мощности, интервала между техническими обслуживаниями, надёжности и ресурса работы двигателя [I, 2, 3,4].

Во многих больших городах, таких как Берлин, Мехико, Токио, Москва, Санкт-Петербург, Киев, загрязнение воздуха автомобильными выхлопами и пылью составляет, по разным оценкам, от 80 до 95 % от всех прочих загрязнений. Автомобильные выхлопы в городах особенно опасны тем, что загрязняют воздух на уровне человеческого роста. И люди вынуждены дышать воздухом, в котором содержатся вредные для здоровья вещества. В связи с этим уменьшение количества выбрасываемых двигателем в окружающую среду вредных веществ является одной из главных составляющих мер по улучшению здоровья людей.

На протяжении последнего десятилетия основной движуще силой развития двигателей внутреннего сгорания (ДВС), и в частности ТД, является происходящее через определённые промежутки времени ужесточение нормативных ограничений по токсичности ОГ. Так, например, действующие в Европе нормативы для ТД EURO 3 по сравнению с нормативами EURO 2 характеризуются ужесточением требований по выбросам оксидов азота - NOx на 40 %, «твердых» частиц (ТЧ) - на 50 %, углеводородов - СН на 80 %, мо-ноокснда углерода - СО на 100 %. По опыту ведущих зарубежных производителей и исследовательских институтов [5, 6, 7] для достижения ТД нормативов EURO 3 требуется модернизация целого ряда деталей и агрегатов дви-

гателя, а также использование энергоёмкой топливной аппаратуры (ТА) с электронной системой управления процесса топливоподачи. Наряду с необходимостью снижения токсичности ОГ следует учитывать важность снижения финансовых затрат на топливо, которые составляют примерно 30 % всех затрат, идущих на жизненный цикл грузового автомобиля [8].

Как показывает практика, использование традиционных способов снижения токсичности ОГ в ТД, в том числе и за счёт позднего начала впрыскивай ия> топлива, т.е. уменьшения угла опережения впрыскивания топлива (УОВТ), приводит, при переходе на более высокий уровень нормативов по экологии, к постепенному ухудшению топливной экономичности двигателя. Поэтому актуальной становится задача снижения токсичности ОГ при сохранении высокой топливной экономичности двигателя. Её решение требует применения в ТД дополнительных систем очистки и нейтрализации токсичных компонентов ОГ, а также, например, системы рециркуляции отработавших газов (РОГ), совместно с оптимизацией конструктивных и регулировочных параметров двигателя,

В настоящее время в нашей стране работы связанные с улучшением экологических и топливно-экономических показателей дизелей ведутся весьма малыми темпами, а результаты последних исследований иностранных фирм по этой же тематике практически недоступны.

Целью диссертационной работы является снижение токсичности отработавших газов транспортного дизеля при сохранении высокой топливной экономичности путём применения РОГ в совокупности с совершенствованием рабочих процессов.

Диссертационная работа направлена на достижение ТД перспективных нормативных ограничений по токсичности ОГ при сохранении высокой топливной экономичности за счёт применения РОГ и оптимизации конструктивных и регулировочных параметров двигателя за счёт проведения численных исследований на математической модели рабочих процессов дизеля с РОГ.

Научная проблема диссертационного исследования формулируется следующим образом. Разработка организации рабочих процессов в ТД при использовании РОГ, с целью совокупной минимизации выбросов NOx, ТЧ с ОГ и удельного эффективного расхода топлива. Оптимизация использования РОГ в ТД в области высоких нагрузок с целью сохранения высокого уровня топливной экономичности и малой дымности ОГ. Проведение численного исследования и оптимизации основных конструктивных и регулировочных параметров дизельного двигателя 6ЧН 13/14 (ЯМЗ-7601Л0) с системой РОГ.

В связи с многочисленностью параметров, определяющих характер и качество рабочих процессов, решение задачи по их оптимизации с целью достижения наилучших соотношений между выбросами NOx, ТЧ с ОГ и топливной экономичностью является крайне трудной задачей. Для сокращения сроков работ по доводке показателей двигателей и снижения финансовых затрат на их выполнение целесообразно проведение расчётно-оптимизационных исследований с использованием программных продуктов, достоверно моделирующих рабочие процесса дизеля с учётом-РОГ. При этом с целью получения адекватных результатов требуется разработка методики расчётной оптимизации основных параметров дизеля с системой РОГ высокого давления с соплом Вентури, которая позволит провести одновременную минимизацию выбросов NOx, ТЧ с ОГ и расхода топлива.

ПЕРВАЯ ГЛАВА диссертации посвящена вопросам улучшение экологических и топливно-экономических показателей ТД. В ней рассматриваются особенности образования различных токсичных компонентов ОГ. Делается анализ влияния основных конструктивных и регулировочных параметров двигателя и ТА на выбросы вредных веществ (ВВ) с ОГ и топливную экономичность. Предлагаемые в большинстве рассматриваемых работ решения направлены, как правило, либо только на снижение токсичности ОГ, либо только на улучшение топливно-экономических показателей двигателей. В работах В.И. Смайлиса сформулирован важный термодинамический принцип организации оптимального дизельного процесса с точки зре-

8 ния достижения наилучшего соотношения между топливной экономичностью и выбросами NOx, согласно которому необходимо стремиться получить максимальные среднемассовые температуры в цилиндре при минимальной неравномерности температурного поля. Также представлен обзор эффектов и механизмов воздействия РОГ на процессы сгорания и образования ВВ. Приводятся некоторые результаты экспериментальных исследований влияния РОГ на показатели двигателя и параметры процесса сгорания. В результате проведённого анализа существующих схем системы РОГ показано, что в дизеле с турбо наддувом и охладителем надувочного воздуха (ОНВ) целесообразно использовать систему РОГ высокого давления с охлаждением рецирку-лируемых газов (РГ). Выполнен анализ отечественных программных продуктов, позволяющих рассчитывать показатели дизельного двигателя на основании математического моделирования его рабочих процессов. В конце главы поставлены задачи исследования.

Во ВТОРОЙ ГЛАВЕ предлагается концепция организации рабочих процессов в перспективном ТД на основе применения РОГ и раннего начала впрыскивания топлива, которая позволит уменьшить выбросы всех токсичных компонентов ОГ до уровня перспективных нормативных ограничений по токсичности ОГ при сохранении на высоком уровне топливной экономичности. Данный результат будет достигаться за счёт следующих изменений в процессе сгорания:

уменьшение количества кислорода в заряде с одной стороны и увеличение количества продуктов сгорания в заряде с другой стороны;

уменьшение локальной температуры в зоне продуктов сгорания за фронтом пламени;

уменьшение неравномерности температурного поля в объёме камеры сгорания (КС);

- более раннее окончание процесса активного тепловыделения;

повышение среднемассовой температуры и давления газов в цилиндре в
период сгорания.

Показана целесообразность применения в ТД с системой РОГ высокого давления турбокомпрессора с переменной геометрией соплового аппарата турбины (ПГТ) с целью обеспечения РОГ на режимах высоких нагрузок и достижения наилучших соотношений между выбросами NOx, ТЧ и топливной экономичностью во всём поле скоростных и нагрузочных режимов работы двигателя.

Разработана методика расчёта количества теплоты, отводимой с выхлопными газами в окружающую среду в дизеле с турбонаддувом и «охлаждаемой» РОГ.

Приведены и обоснованы характеристики совместного управления степенью РОГ, УОВТ и коэффициентом избытка воздуха- а в.зависимости от нагрузочного и скоростного режима работы, дизеля; способные обеспечить наибольшее уменьшение выбросов всех токсичных компонентов ОГ и улучшение топливной экономичности на всех режимах работы ТД.

В^ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ приводятся результаты экспериментальных исследований ТД 6ЧН 13/14 (ЯМЗ-7601.10) с различными? комплектациями системы РОГ и турбокомпрессорами. Экспериментально подтверждено, что организация рабочего процесса в дизеле на основе совместного применения РОГ и раннего начала впрыскивания топлива позволяет снизить выбросы NOx с ОГ до уровня нормативов EURO 4, а также обеспечивает, по сравнению со способом снижения выбросов NOx за счёт позднего начала впрыскивания топлива, более лучшее соотношение между выбросами NOx и топливной экономичностью. Причём уменьшение выбросов NOx за счёт повышения степени РОГ сопровождается меньшей интенсивностью ухудшения топливной экономичности, чем за счёт уменьшения УОВТ.

Показано, что использование в дизеле с системой РОГ высокого давления турбокомпрессора с ПГТ по сравнению с нерегулируемым турбокомпрессором на режимах высоких нагрузок позволяет за счёт уменьшения пропускной способности турбины скомпенсировать возникающее при РОГ уменьшение количества выпускных газов, проходящих через турбину, и тем

10 самым увеличить количество подаваемого в цилиндры воздуха, а также обеспечить положительный перепад между давлением РГ и давлением наддувочного воздуха после ОНВ в области высоких нагрузок, не прибегая к использованию сопла Вентури.

Установлено, что наилучшей комплектацией дизеля 6ЧН 13/14 с системой РОГ высокого давления» при которой достигаются наилучшие соотношения между выбросами NOx, ТЧ и топливной экономичностью, является комплектация со смесителем РГ и с турбокомпрессором, с ПГТ. В данной комплектации двигатель 6ЧН 13/14 по токсичности ОГ, соответствует нормативам EURO 3.

Произведены расчёты^количества теплоты, отводимого с выхлопными газами в окружающую среду в дизеле с турбонаддувом и системой РОГ, а также определено влияние РОГ и коэффициента избытка воздуха на потери теплоты с выхлопными газамИ'И топливную экономичность дизельного двигателя.

В ЧЕТВЁРТОЙ ГЛАВЕ представлена методика расчётной оптимизации конструктивных и регулировочных параметров дизеля при использовании РОГ. По данной методике с использованием1 программы ДИЗЕЛЬ-РК проведена оптимизация! параметров и регулировок рабочего процесса дизеля 6ЧН 13/14 (ЯМЗ-7601.10) с системой РОГ высокого давления на режиме п = 1200 мин"1, нагрузка 75 % от полной, Было установлено, что оптимальным вариантом будет применение в дизеле 6ЧН 13/14 смесителя РГ с диаметром 85 мм. Использование в дизеле 6ЧН 13/14 системы РОГ высокого давления и указанных параметров, по сравнению с базовым вариантом двигателя без системы РОГ, позволяет на режиме n = 1200 мин'1 при нагрузке 75 % уменьшить выбросы NOx с ОГ в 2 раза, выбросы ТЧ с ОГ на 5,2 %, удельный эффективный расход топлива примерно на 11 г/(кВт*ч) (на 5,4 %). Полученный уровень выбросов NOx с ОТ соответствует нормативам EURO 4, а выбросов ТЧ нормативам EURO 3.

11 На защиту автором выносятся:

  1. Разработана концепция организации рабочих процессов в дизеле, которая базируется на совместном применении РОГ, раннего начала впрыскивания топлива, регулируемого турбонаддува и повышении качества смесеобразования во всём поле скоростных и нагрузочных режимов работы двигателя. Данная концепция позволяет снижать выбросы ВВ с ОГ при сохранении высокой топливной экономичности двигателя.

  2. Установлена и обоснована целесообразность использования в ТД с системой РОГ высокого давления турбокомпрессора с ПГТ с целью достижения наилучших соотношений между выбросами-NOx> ТЧ с ОГ и топливной экономичностью, а также реализации РОГ в области высоких нагрузок без использования сопла Вентури.

  3. Предложены и экспериментально апробированы характеристики совместного управления степенью РОГ, УОВТ и коэффициентом избытка воздуха в ТД в зависимости от нагрузочного и скоростного режима работы, способствующие снижению выбросов ВВ с ОГ до уровня перспективных нормативных ограничений и улучшению топливной экономичности на всех режимах работы двигателя.

  4. Разработана методика расчётной оптимизации основных конструктивных и регулировочных параметров дизеля с системой РОГ высокого давления с соплом Вентури с целью одновременной минимизации выбросов NOx, ТЧ с ОГ и расхода топлива.

  5. Разработана методика расчёта количества теплоты, отводимой с ОГ в окружающую среду в дизеле с турбонаддувом и системой РОГ высокого давления с охлаждением РГ.

Подобные работы
Девянин Сергей Николаевич
Улучшение эксплуатационно-технических показателей быстроходного дизеля совершенствованием процесса впрыскивания и распыливания топлива
Горбунов Павел Владимирович
Улучшение экологических и экономических показателей дизелей внедорожной техники совершенствованием процесса топливоподачи
Хакимов Рамиль Тагирович
Улучшение основных показателей работы газовой модификации дизеля путем совершенствования рабочего процесса
Огнев Иван Владимирович
Улучшение показателей рабочего процесса дизеля интенсификацией впрыска топлива
Свистула Андрей Евгениевич
Повышение показателей рабочего процесса дизеля улучшением смесеобразования и сгорания
Марков Владимир Анатольевич
Улучшение экономических и экологических показателей транспортных дизелей путем управления процессом топливоподачи
Рудаков Леонид Викторович
Улучшение эффективных показателей дизеля 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе путем оптимизации процессов сгорания и тепловыделения
Деветьяров Руслан Раифович
Улучшение эффективных показателей тракторного дизеля 4Ч 11,0/12,5 (Д-240) путем применения природного газа и оптимизации процессов сгорания и тепловыделения
Лодня Вячеслав Александрович
Улучшение параметров двухтактного ДВС путем применения непосредственного впрыскивания бензина и совершенствования процесса смесеобразования
Россохин Алексей Валерьевич
Улучшение экологических показателей дизеля 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе путем снижения дымности отработавших газов

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