автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Выбор скоростного режима первичных дизельных двигателей гибридных энергетических установок с целью улучшения их экологических характеристик

На правах рукописи

КОПЕИН Алексей Викторович

ии3451282

ВЫБОР СКОРОСТНОГО РЕЖИМА ПЕРВИЧНЫХ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ГИБРИДНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК С ЦЕЛЬЮ УЛУЧШЕНИЯ ИХ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

05.04.02 - Тепловые двигатели

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

з О ОПТ 2003

Барнаул-2008

003451282

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе «Научно-исследовательский институт автотракторной техники»

Научный руководитель:

Научный консультант

доктор технических наук, профессор Кукис Владимир Самойлович кандидат технических наук, доцент Малоземов Андрей Адиевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Юр Геннадий Сергеевич

кандидат технических наук, доцент Кулманаков Сергей Павлович

Ведущая организация

НПК "Агродизель" (г. Москва)

Защита состоится 28 ноября 2008 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.004.03 при Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова по адресу: 656038 г. Барнаул, пр. им. В.И. Ленина, 46 (тел/факс (3852) 26 05 16; E-mail: D21200403@mail.ru)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного технического университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан « » октября 2008 г. Ученый секретарь

диссертационного совета д-р техн. наук, профессор

А.Е. Свистула

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Малая энергетика России обеспечивает условия жизни и деятельности более 20 млн. граждан, многие виды добывающей промышленности на 70 % ее территории. Основой малой электроэнергетики являются около 50000 энергоустановок на базе двигателей внутреннего сгорания (ДВС), из которых около 47000 дизельные.

В процессе работы первичные дизели энергоустановок непрерывно взаимодействуют с окружающей средой, забирая из нее топливо и кислород воздуха и выбрасывая в нее продукты своей деятельности. Эта ситуация рождает значительное количество экологических проблем, включающих:

1) колоссальный расход природного органического топлива и атмосферного кислорода;

2) непоправимый вред здоровью человека, зданиям, сооружениям и окружающей природе, наносимый токсичными компонентами отработавших газов;

3) выброс углекислого газа;

4) тепловое «загрязнение» атмосферы;

5) диссипацию эксергии отработавших газов. Кроме того, экологический вред наносят шум и вибрация первичных двигателей.

У классических дизель-электростанций частота тока пропорциональна оборотам коленчатого вала первичного двигателя, и вопросы выбора скоростного режима, обеспечивающего хорошие экологические показатели, ранее даже не обсуждались, так как эти устройства отличаются высокой стоимостью, и до последнего времени двигатель-генераторы с переменной частотой вращения промышленностью не выпускались. Однако в связи с бурным развитием нетрадиционной энергетики (в частности ветроэнергетики) реализация данного технического решения стала экономически целесообразной, так как в состав ветроэлектростанции уже должно входить устройство стабилизирующее частоту тока и другие электрические параметры.

Специфика функционирования ДВС в составе энергоустановок позволяет значительно уменьшить их вредное воздействие на окружающую среду путем подбора эффективных скоростных и нагрузочных режимов, не изменяя конструкции двигателя.

В связи с тем, что выбор эффективного скоростного режима первичного двигателя является новым направлением, в настоящее время недостаточно глубоко проработана его научная основа, отсутствуют оценка возможного снижения экологических характеристик и результаты экспериментальных исследований, подтверждающих возможность реализации и эффективности предложенного технического ре-

шения. Сказанное затрудняет дальнейшее развитие гибридных энергоустановок и выбор оптимальных, с точки зрения экологии, режимов работы первичного двигателя.

Цель настоящего исследования: Оценить влияние скоростного режима первичных дизельных двигателей гибридных энергетических установок на их экологические характеристики и дать рекомендации по выбору целесообразного скоростного режима работы дизелей ОАО «ПО Алтайский моторный завод».

Задачи исследования:

1. Проанализировать особенности функционирования первичного дизеля в составе гибридной энергоустановки.

2. Обосновать выбор математической модели рабочих процессов поршневого ДВС, отражающей особенности его функционирования в составе гибридных энергоустановок с точки зрения токсичности его отработавших газов.

3. Расчетно-теоретически и экспериментально оценить влияние частоты вращения коленчатого вала и других факторов на экологические характеристики первичного дизеля, а также на показатели его топливной экономичности и надежности. Оценить адекватность использованной математической модели.

4. Выбрать и обосновать целесообразные режимы работы первичного двигателя гибридных энергоустановок с точки зрения экологических характеристик, надежности и стоимости владения.

5. Дать экономическую оценку влияния частоты вращения коленчатого вала и других факторов на экологические характеристики первичных дизелей ОАО «ПО Алтайский моторный завод» для гибридных энергоустановок.

Объект исследования: рабочий процесс в первичных дизелях ОАО «ПО Алтайский моторный завод» размерностью 13/14 различного конструктивного исполнения.

Выбор дизелей обусловлен тем, что они широко используются для привода энергоустановок мощностью 60-100 кВт, номенклатура двигателей включает модификации с наддувом (в том числе с ОНВ) и без наддува с различным числом цилиндров и уровнем форсирования, что позволяет распространить результаты исследования на дизели различных конструктивных исполнений.

Предмет исследования', процессы, формирующие экологические характеристики первичного дизеля гибридной энергоустановки, и зависимость этих характеристик от его скоростного режима, конструктивных и регулировочных параметров.

Научная новизна. В диссертации:

1. Теоретически обоснован выбор целесообразного скоростного режима работы первичного дизеля энергетической установки с точки зрения улучшения его экологических характеристик.

2. Получены экспериментальные результаты, отражающие влияние частоты вращения коленчатого вала и других факторов на экологические характеристики первичного дизеля гибридной энергоустановки, в том числе впервые определено содержание твердых частиц в отработавших газах дизелей ОАО «ПО Алтайский моторный завод» размерностью 13/14 гравиметрическим методом.

Практическая ценность. Результаты исследования могут быть использованы при разработке и создании гибридных энергоустановок и их систем, модификаций первичных дизелей, предназначенных для работы в составе гибридных энергоустановок, модернизации существующих ДВС-электростанций по параметрам выбросов вредных веществ с отработавшими газами, при проведении НИОКР, в учебном процессе.

Реализация результатов работы. Материалы диссертации используются и внедрены: ОАО РАО «ЕЭС России» и входившими в его состав ОАО «Научно-исследовательский институт энергетических систем» и НПЦ «Малой энергетики» (г. Москва) - при разработке и проведении полевых испытаний гибридной энергоустановки на базе ветроэлектростанции «Заполярная» (г. Воркута); ОАО «ПО Алтайский моторный завод» (г. Барнаул) - при доводке продукции по экологическим показателям и разработке модификаций дизелей для энергоустановок; НП «Сертификационный центр автотракторной техники» (г. Челябинск) - при проведении испытаний серийной продукции ОАО «ПО Алтайский моторный завод» и разработке рекомендаций по ее доводке по экологическим параметрам.

Апробация работы. Материалы диссертации были доложены и одобрены на заседаниях НТС ОАО «ПИИ автотракторной техники» (г. Челябинск, 2006, 2007, 2008); научном семинаре НТС НПК «Агро-дизель» (г. Москва, 2007, 2008); IV межрегиональной научно-технической конференции «Многоцелевые гусеничные машины (Бро-ня-2008)» (г. Омск, 2008); научно-технической конференции «Повышение эффективности силовых установок колесных и гусеничных машин» (г. Челябинск, 2008); на Международной научно-технической конференции «Улучшение эксплуатационных показателей автомобилей, тракторов и двигателей» (г. Санкт Петербург, 2008).

Публикации. По теме диссертации опубликовано десять печатных работ, в том числе три работы в изданиях, рекомендованных ВАК.

Объем и содержание работы. Диссертация содержит 153 с. текста, 68 рисунков, 12 таблиц и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 118 наименований, и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, поставлена цель, сформулированы научная новизна и практическая ценность работы, дана её общая характеристика и изложено краткое содержание.

В первой главе проанализированы актуальные вопросы повышения эффективности методов снижения токсичности отработавших газов дизельных двигателей. Приведены требования нормативно-технических документов к выбросам вредных веществ. Показаны причины образования токсичных веществ в рабочем процессе дизеля. Выполнен анализ мероприятий по снижению выбросов вредных веществ с отработавшими газами дизелей с учетом особенностей их функционирования в составе энергетических установок. Приведено описание основных конструктивных особенностей многофункциональных энергетических комплексов на базе двигатель-генераторов с переменной частотой вращения и внешних возобновляемых источников энергии. Сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе выполнен обзор математических моделей рабочего цикла поршневых ДВС, химической кинетики горения углеводородных топлив, предложенных научными школами ЦНИДИ, С.Пб. политехнического университета, МГТУ, ХПИ, АлтГТУ, зарубежных источников и анализ возможности их применения для оценки образования токсичных веществ в камере сгорания первичного дизеля гибридной энергоустановки. Предложено использование математической модели на основе системы дифференциальных уравнений массового и энергетического балансов рабочего тела и химического механизма горения углеводородов «Kilpinen-97». Расчетом установлено, что кинетика образования вредных веществ зависит от скорости нарастания температуры газов в камере сгорания (рис. 1).

Эти данные были использованы для расчетно-теоретической оценки концентрации токсичных веществ в отработавших газах первичных дизелей АМЗ с газотурбинным наддувом и без него. Результаты расчета показали, что увеличение скорости изменения температуры рабочего тела (соответствующее снижению частоты вращения коленчатого вала от номинальной до максимального крутящего момента) приводит к увеличению выбросов NOx в 1,5-2 раза (рис. 2).

Для других токсичных веществ зависимость выбросов от частоты вращения коленчатого вала не является столь однозначной (см., например, рис. 3).

Л

1 1 . \

1 \ V

/

Г

ч" \\

■ч

_____

-30 -10 10 30 50

■радПКВ

Рис. 1. Скорость изменения температуры рабочего тела в камере сгорания дизеля ОАО «ПО АМЗ» (результаты расчета): 1 - без над дува, при 1500 мин"1; 2-е наддувом, при 1500 мин"1; 3 - без наддува, при 1000 мин"1; 4-е наддувом, при 1000 мин"1

т 2,50Е-07

3 2,О0Е-О7

.5 с? 1.50Е-07

1,О0Е-О7

5.00Е-08

0.00Е+00

Беч наддува С наддувом

30 35 40 ЛТ/Аф, К/град ПКВ

Рис. 2. Концентрация оксидов азота в момент времени т=8 мс при различных скоростях изменения температуры рабочего тела (температура воздушного заряда Т0= 1000 К)

1.00Е-25-

1.00Е-26-

1.00Е-27-

о 1.00Е-28-

1.00Е-29-

О

1.00Е-30-

1.00Е-31-

А

/

....... ' /

С наддувом Без наддува

20

25

45

50

30 35 40 ДТ/Дф, Ю'град ПКВ

Рис. 3. Концентрация твердых частиц в момент времени т=8 мс при различных скоростях изменения температуры рабочего тела (температура воздушного заряда То= 1000 К)

Расчет рабочего цикла подтвердил возможность снижения удельного расхода топлива и, соответственно, расхода воздуха, выбросов углекислого газа, теплового загрязнения атмосферы для первичных дизелей с переменной частотой вращения коленчатого вала (рис. 4).

102,0 101,0 100,0 99,0 98,0 97,0 96,0

С наддувом Без наддува

800

1000

1200

1400

1600

Рис. 4. Зависимость индикаторного удельного расхода топлива (% от номинального значения) от частоты вращения коленчатого вла первичного дизеля энергоустановки (Мецнл=соп51=12 кВт) Предложенная, на основе уравнения Костина, формула:

( \ 0.88 / > ! \

Г = тА{А] •Рк

л', 1л

0,38

(1)

позволила выполнить оценку относительного изменения ресурса первичного дизеля гибридной энергоустановки (рис. 5).

Ь; Е-

800

С наддувом Без наддува

1000

1200

1400

1600

п, мин

-I

Рис. 5. Зависимость показателя ресурса от частоты вращения коленчатого вала первичного дизеля энергоустановки

В целом, расчетно-теоретические исследования подтвердили целесообразность снижения скоростного режима первичного дизеля с целью улучшения его экологических характеристик и показали, что необходимы дополнительные экспериментальные исследования по оценке влияния частоты вращения коленчатого вала первичных дизелей ОАО «ПО АМЗ» на выбросы токсичных веществ с отработавшими газами.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований выбросов токсичных веществ с отработавшими газами гибридных энергоустановок. Объектами экспериментального исследования были дизели типа 4413/14 (А-41), 4ЧН13/14 (Д-442 и Д-3047), 6413/14 (А-01), 6ЧН13/14 (Д-461) производства ОАО «ПО Алтайский моторный завод».

Испытания, с учетом того, что дизели могут быль отнесены к категории конвертируемых, проводились по методикам ГОСТ 18509, ГОСТ 17.2.2.05 и ГОСТ Р 41.96. Для определения содержания твердых частиц в отработавших газах использовался гравиметрический метод. Суть метода заключается в пропускании разбавленных в определенной пропорции отработавших газов через стекловолокнистый фильтр с фто-руглеродным покрытием или фильтр с фторуглеродной основой мембранного типа, который взвешивается до и после эксперимента.

Испытательный комплекс для определения выбросов твердых частиц с отработавшими газами дизелей различных типов включает в себя разбавительный туннель МТ-120, разработанный институтом TUV-UVMV (Чехия), систему пробоотбора на нагрузочном стенде, весы «Mettler Toledo» AX26DR для взвешивания фильтров (в климатической камере на виброизолирующем фундаменте, имеющие точность - 2 мкг), фильтры - «Pall Flex».

Зависимость концентрации оксидов азота в отработавших газах дизелей ОАО «ПО Алтайский моторный завод» представлена на рис. 6.

Уменьшение частоты вращения коленчатого вала при сохранении требуемой мощности приводит к увеличению концентрации оксидов азота в отработавших газах примерно в 1,5-2 раза, что полностью соответствует результатам расчетно-теоретической части исследования.

Регрессионная зависимость выбросов оксидов азота от основных параметров, характеризующих рабочий цикл дизеля, имеет вид:

W№x = ОД 81 ■ п + 2,94 • Мкр - 49,3 - G т - 0,451 • GB +141,62,..........(2)

где WNOx - концентрация оксидов азота в отработавших газах, ррт; п - частота вращения коленчатого вала, мин"1; М^ - крутящий момент, Н-м; Gr - расход топлива, кг/ч; GB - расход воздуха, кг/ч.

Рис. 6. Зависимость концентрации оксидов азота в отработавших газах дизелей ОАО «ПО Алтайский моторный завод» от частоты вращения коленчатого вала и крутящего момента

Анализ данных по выбросам других вредных веществ показывает, что наиболее целесообразно снижение частоты вращения коленчатого вала первичных двигателей А-01 (6413/14) и Д-3047, для которых (в зависимости от режима нагружения) выбросы оксида углерода уменьшаются на 10-50 %, углеводородов - на 10-20 %, твердых (дисперсных) частиц - в 1,5-4 раза (рис. 7).

А-01МСИ А-41СИ Д-3047 Д-442ВСИ Д-461ВСИ (6413/14) (4413/14) (4ЧН13/14) (4ЧН13/14) (6ЧН13/14)

Модель дизеля

Рис. 7. Средние значения выбросов твердых частиц с отработавшими газами дизелей АМЗ при пониженной (1) и номинальной (2) частоте вращения коленчатого вала

В результате, с учетом того, что токсичность твердых частиц в два раза выше, чем оксидов азота, суммарный показатель токсичности уменьшается. Для остальных двигателей суммарный показатель токсичности выбросов увеличивается.

Оптимальная, с точки зрения топливной экономичности, взаимосвязь между частотой вращения коленчатого вала и нагрузкой первичного двигателя в составе гибридной энергоустановки может быть аппроксимирована формулой:

П=пхх + п"-~пм' -N ' (3)

хх- м е

е nom е Мк

где пХЛ. - частота вращения холостого хода, n[lom, Ne nom - номинальные значения частоты вращения коленчатого вала и эффективной мощности, пМк, Ne мк - частота вращения коленчатого вала и эффективная мощности при максимальном крутящем моменте дизеля.

На рис. 8 показано, что экономия топлива (Age) при работе двигателя по оптимальной характеристике может достичь 15 % при нагрузке менее 25 % от номинальной.

300

270

240

' 210

180

150

*

Л.

N ft—

....."............^ О-ХУ^

50

200

15

12

6§

0 250

100 150

N.. кВт

-О- п=сопв1 -а- п=иаг -а- экономия топлива, %

Рис. 8. Потенциальная экономия топлива в случае работы двигателя 6ЧН13/14 при оптимальной, с точки зрения минимизации удельного эффективного расхода топлива, взаимосвязи между частотой вращения коленчатого вала и нагрузкой первичного двигателя в составе гибридной энергоустановки

В четвертой главе выполнена оценка эффективности влияния скоростного режима первичных дизельных двигателей гибридных энергетических установок на их экологические характеристики, которые определяются изменением: токсичности их отработавших газов; расхода природного органического топлива и атмосферного кислорода; выбросов в атмосферу углекислого газа; теплового «загрязнения» атмосферы; диссипации эксергии отработавших газов, выбрасываемых в атмосферу.

Этот эффект складывается из двух составляющих - экономической (которая может быть оценена количественно в денежном выражении) и социальной (которая является не менее важной, но может быть оценена только в относительной форме). В денежном выражении был оценен эффект от снижения токсичности отработавших газов дизеля и от расхода природного органического топлива. В относительной форме - эффект изменения остальных составляющих. Материалы анализа оценки эффективности влияния скоростного режима первичных дизельных двигателей гибридных энергетических установок на их экологические характеристики приведены в основных результатах работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В ходе выполнения диссертационного исследования:

Проведен анализ особенностей функционирования первичного дизеля в составе гибридной энергоустановки.

Обоснован выбор математической модели рабочих процессов поршневого ДВС, отражающей особенности его функционирования в качестве первичного двигателя гибридных энергоустановок, с учетом кинетического механизма окисления углеводородных топлив и синтеза оксидов азота. Адекватность математической модели подтверждена экспериментально.

Выполнена расчетно-теоретическая и экспериментальная оценка (в стендовых условиях) влияния частоты вращения коленчатого вала и других факторов на экологические характеристики первичного дизеля, а также его надежность.

Дана экономическая оценка влияния скоростного режима первичных дизельных двигателей гибридных энергоустановок на их экологические характеристики.

В результате настоящего исследования подтверждена выдвинутая гипотеза о том, что улучшение экологических характеристик первичных дизельных двигателей гибридных энергоустановок может быть достигнуто выбором целесообразного скоростного режима их работы и установлено следующее:

1. При снижении частоты вращения коленчатого вала в 1,2-1,5 раза по отношению к номинальным и уменьшении нагрузки (рс) энергоустановки:

- выбросы оксида углерода дизелей Д-3047 уменьшаются в 1,5-4 раза, А-41 и Д-461 - на 20-30 %; выбросы дизелей А-01 и Д-442 при коэффициенте нагрузки 0,5 снижаются до 30 %, при коэффициенте нагрузки 0,75 увеличиваются на 10-80 %; выбросы углеводородов изменяются мало (± 20 %);

- выбросы оксидов азота дизелями ОАО «ПО АМЗ» в среднем увеличиваются в 1,7-2,0 раза;

- выбросы твердых частиц (наиболее токсичных компонентов отработавших газов) для дизелей А-01 и Д-3047 уменьшаются в 3-4 раза. Для двигателей А-41, Д-461 и Д-442 снижение частоты вращения приводит к увеличению выбросов твердых частиц.

Топливная экономичность при снижении частоты вращения коленчатого вала в 1,2-1,5 раза по отношению к номинальным улучшается, при этом максимальная экономия топлива может составить до 25 %, при коэффициенте загрузки 0,25 экономия топлива для дизелей ОАО «ПО АМЗ» составляет 15 %.

3. Ресурс первичного дизеля при уменьшении частоты вращения в 1,2-1,5 раза (по результатам расчета) может быть увеличен практически

в 2,2-2,8 раза.

4. Оптимальной, с точки зрения топливной экономичности, режимом работы первичных двигателей ОАО «ПО АМЗ» является работа по характеристике представленной формулой (3).

5. При использовании двигатель-генератора мощностью 100 кВт в составе гибридной энергоустановки, где преобразователь частоты уже входит в ее состав, абсолютная величина годового экономического эффекта для дизелей АМЗ в среднем составляет 150-330 и 750-1100 тыс. руб. при коэффициентах загрузки 0,75 и 0,50 соответственно.

При автономном использовании, преобразователь частоты окупается за 6,1 и 0,8 года, соответственно (при расчетном сроке непрерывной эксплуатации не менее 10 лет).

Социальный эффект составляет в среднем по расходу атмосферного воздуха 20-47 и 25-60 %, по выбросам углекислого газа 21-29 и 37-50 %, по тепловому «загрязнению» 27-47 и 48-57 %, по диссипации эксергии 27-52 и 49-70 % при коэффициентах загрузки 0,75 и 0,50 соответственно.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Копеии A.B. Влияние давления впрыскивания топлива и величины степени сжатия на выбросы вредных веществ с отработавшими газами / A.B. Копеин // Повышение эффективности силовых установок колесных и гусеничных машин: научный вестник. - Вып. 18. - Челябинск: ЧВВАКИУ, 2006. - С. 115-117.

2. Копеин A.B. Расчетно-теоретическое исследование химической кинетики предпламенных процессов в поршневых ДВС на различных видах топлива газами / A.B. Копеин // Методические рекомендации по ремонту бронетанкового вооружения и техники и автомобильной техники. -№132- С.Пб.: 29 НКТЦ, 2006. - С. 12-17.

3. Копеин A.B. Сравнительный анализ технического уровня тракторных дизелей отечественного и зарубежного производства / A.B. Копеин // Методические рекомендации по ремонту бронетанкового вооружения и техники и автомобильной техники. - №136 - С.Пб.: 29 НКТЦ, 2007. - С. 6-10.

4. Копеин A.B. Вредные вещества в отработавших газах дизелей / A.B. Копеин // Повышение эффективности силовых установок колесных и гусеничных машин: научный вестник. - Вып. 19. - Челябинск: ЧВВАКИУ, 2007. - С. 94-101.

5. Копеин A.B. Расчетная оценка пределов форсирования дизелей с учетом требований к выбросам вредных веществ с отработавшими газами / A.B. Копеин, B.C. Кукис, A.A. Малоземов // Улучшение эксплуатационных показателей автомобилей, тракторов и двигателей: материалы Международной научно-технической конф. (22-23 марта 2008). С.Пб: Изд-во СПбГАУ, 2008. - С. 66-71.

6. Копеин A.B. Оценка выбросов вредных веществ с отработавшими газами дизелей на стадии проектирования / A.B. Копеин, A.A. Малоземов // Вестник академии военных наук. - Ks 3 (24). - 2008. -С. 106-110.

7. Малоземов A.A. Оценка токсичности отработавших газов дизелей одного типоразмера с использованием регрессионных зависимостей /A.A. Малоземов, В.Н. Бондарь, A.B. Копеин //Вестник ЮУрГУ. -№23. — Вып. 12. - Серия «Машиностроение». - Челябинск, 2008. - С. 81-85.

8. Босяков В.П. Исследование влияния различных факторов на образование твердых частиц в цилиндре дизеля А-01МСИ / В.П. Босяков, A.B. Копеин // Повышение эффективности силовых установок колесных и гусеничных машин: материалы научно-технической конференции, посвященной 40-летию кафедры двигателей. - Челябинск: ЧВВАКИУ, 2008.-С. 31-34.

9. Копеин A.B. Повышение топливной экономичности первичного дизеля энергоустановки оптимизацией скоростного режима 01МСИ / A.B. Копеин, A.A. Малоземов, O.A., Алешков // Повышение эффективности силовых установок колесных и гусеничных машин: материалы научно-технической конференции, посвященной 40-летию кафедры двигателей. - Челябинск: ЧВВАКИУ, 2008. - С. 60-65.

10. Малоземов A.A. Повышение эффективности энергоустановок оптимизацией скоростного режима первичных дизелей в их составе / A.A. Малоземов, A.B. Копеин, O.A. Алешков //Двигателестроение - № 4 - 2008.

Подписано в печать 15.10.08 г. Формат 60><84 1/16. Печать - ризография. Усл.п.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 2008 - 57

Отпечатано в типографии АлтГТУ 656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46 тел.:(8-3852) 36-84-61

Лицензия на полиграфическую деятельность ПЛД№ 28-35 от 15.07.97 г.

СПИСОК ОСНОВНЫХ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

И СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ СНИЖЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДИЗЕЛЕЙ ПЕРВИЧНЫХ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЛЕЙ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК.

1.1. Актуальность проблемы улучшения экологических характеристик поршневых двигателей внутреннего сгорания.

1.1.1. Экологические проблемы взаимодействия первичных дизелей энергоустановок и окружающей среды.

1.1.2. Требования нормативно-технических документов к выбросам токсичных веществ с отработавшими газами первичных дизелей ДЭС.

1.2. Методы снижения выбросов токсичных веществ с отработавшими газами дизелей различных типов.

1.2.1. Причины образования токсичных веществ в цилиндре дизелей.

1.2.2. Мероприятия, влияющие на экологические характеристики дизелей.

1.3. Анализ особенностей функционирования дизелей в составе энергоустановок с позиции их экологических характеристик.

1.3.1. Особенности режимов нагружения дизелей в составе энергоустановок.

1.3.2. Особенности конструктивного исполнения дизелей в составе гибридных энергоустановок.

1.3.3. Особенности функционирования двигатель-генератора совместно с ветроэлектрической установкой (в составе многофункционального энергетического комплекса).

1.4. Выводы. Цель и задачи исследования.

2. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА МЕТОДА МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ТОКСИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ В ОТРАБОТАВШИХ ГАЗАХ ДИЗЕЛЕЙ, С УЧЕТОМ ОСОБЕННОСТЕЙ ИХ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ В СОСТАВЕ ГИБРИДНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК.

2.1. Обзор и анализ существующих методов математического моделирования выбросов токсичных веществ с отработавшими газами дизелей.

2.1.1. Основные принципы моделирования рабочих процессов поршневых ДВС.

2.1.2. Модели химической кинетики образования токсичных веществ в камере сгорания дизеля.

2.1.3. Математические модели физических процессов в камере сгорания дизеля.

2.2. Математическое моделирование выбросов токсичных веществ с отработавшими газами первичных дизелей с учетом особенностей их функционирования в составе гибридных энергетических установок.

2.2.1. Общие положения.

2.2.2. Математическая модель состояния рабочего тела в камере сгорания.

2.2.3. Математическая модель химической кинетики образования токсичных веществ в камере сгорания дизеля.

2.2.4. Уравнения для оценки ресурса конвертированного первичного дизеля в составе гибридной энергоустановки.

2.3. Расчетно-теоретическое исследование влияния скоростного режима первичного двигателя и других факторов на содержание токсичных веществ в отработавших газах.:.

2.3.1. Методика расчетно-теоретического исследования.

2.3.2. Результаты расчетно-теоретического исследования.

Актуальность работы. Поршневые двигатели внутреннего сгорания (ПДВС) - один из основных источников энергии для человечества. В числе сфер применения ПДВС - малая энергетика, сектор экономики, обеспечивающий энергией регионы, не охваченные централизованным энергоснабжением. К малой энергетике относятся источники электроэнергии и тепла мощностью до 30 МВт. В России малая энергетика обеспечивает условия жизни и деятельности более 20 млн. граждан, многие ключевые для страны виды добывающей промышленности на 70 % ее территории. Годовые финансовые обороты в малой энергетике превышают 60 млрд. USD. Ее доля в топливно-энергетическом балансе страны составляет 10 % вырабатываемой электроэнергии РФ и 26 % вырабатываемого тепла. В сфере малой энергетики занято около 2 млн. человек обслуживающего персонала. Средняя единичная мощность малых электростанций - 340 кВт. Суммарная выработка электроэнергии - 50 млрд. кВт-ч/год, суммарное потребление топлив - 17 млн. т условного топлива в год [44].

Дизели, используемые в качестве первичных двигателей электростанций с приводом от ПДВС (ДЭС), являются серьезным источником загрязнения окружающей среды, в первую очередь - атмосферы. Основой малой электроэнергетики являются около 50000 энергоустановок на базе ДВС, из которых около 47000 дизельных, суммарной установленной мощностью 17 млн. кВт. Ежегодный валовой выброс токсичных веществ в атмосферу от первичных дизелей ДЭС составляет 0.5 млн. т, в том числе, твердых частиц -150 тыс. т. Это наносит непоправимый вред окружающей среде и здоровью людей. Поэтому, проблема снижения выбросов токсичных веществ с отработавшими газами (ОГ) первичных дизелей объектов малой энергетики является актуальной. Ее актуальность существенно возрастает в связи с присоединением России к международным соглашениям в природоохранной сфере, введением в действие новых и ужесточением требований действующих государственных стандартов и других обязательных нормативных и законодательных документов.

Специфика функционирования ПДВС в составе энергоустановок позволяет значительно уменьшить абсолютные показатели выбросов токсичных веществ с ОГ и их вредное воздействие на окружающую среду путем подбора эффективных скоростных и нагрузочных режимов (снижением частоты вращения коленчатого вала при уменьшении нагрузки), не изменяя конструкции двигателя. Однако, учитывая, что частота тока энергоустановки пропорциональна частоте вращения коленчатого вала первичного ДВС, это решение влечет необходимость внесения изменений в конструкцию энергоустановки, с целью сохранения на требуемом уровне параметров качества электрической энергии, а именно, необходимо применение устройств, стабилизирующих электрические параметры ДЭС. Так как эти устройства отличаются высокой стоимостью, до последнего времени двигатель-генераторы с переменной частотой вращения промышленностью не выпускались. В связи с бурным развитием нетрадиционной энергетики, в частности ветроэнергетики, реализация данного технического решения стала экономически целесообразной, так как в состав ветроэлектростанции (ВЭС) уже должно входить устройство стабилизирующее частоту тока и другие электрические параметры.

В связи с тем, что это направление (выбор эффективного скоростного режима первичного двигателя ДЭС) является новым, в настоящее время недостаточно глубоко проработана его научная основа. Отсутствуют методы выбора целесообразного скоростного режима ПДВС в зависимости от нагрузки и с учетом различных ограничивающих факторов (особенностей функционирования в составе ДЭС, расхода топлива, ресурса, стоимости и др.), нет адаптированных для решения конкретных инженерных задач методов предварительной оценки возможного снижения выбросов токсичных веществ с ОГ, отсутствуют результаты экспериментальных исследований, подтверждающих возможность реализации и эффективности предложенного технического решения.

Сказанное свидетельствует о том, что в настоящее время существует научная проблема, обусловленная отсутствием научной основы, включающей математическую модель, отражающую особенности функционирования ДВС в составе гибридных энергоустановок с точки зрения минимизации экологического вреда от работы их первичных двигателей, методики выбора целесообразного скоростного режима и экспериментальных данных, подтверждающих эффективность того или иного технического решения и адекватность математической модели. Все это затрудняет дальнейшее развитие гибридных энергоустановок и выбор оптимальных, с точки зрения экологии, режимов работы первичного двигателя.

Гипотеза исследования. Улучшение экологических характеристик первичных дизельных двигателей гибридных энергоустановок может быть достигнуто выбором целесообразного скоростного режима их работы.

Цель исследования: Оценить влияние скоростного режима первичных дизельных двигателей гибридных энергетических установок на их экологические характеристики и дать рекомендации по выбору целесообразного скоростного режима работы дизелей ОАО «ПО Алтайский моторный завод» при условии сохранения или повышения их надежности.

Для подтверждения выдвинутой гипотез и достижения цели исследования было необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать особенности функционирования первичного дизеля в составе гибридной энергоустановки.

2. Обосновать выбор математической модели рабочих процессов поршневого ДВС, отражающей особенности его функционирования в составе гибридных энергоустановок с точки зрения токсичности его отработавших газов.

3. Расчетно-теоретически и экспериментально оценить влияние частоты вращения коленчатого вала и других факторов на экологические характеристики первичного дизеля, а также на показатели его топливной экономичности и надежности. Оценить адекватность использованной математической модели.

4. Выбрать и обосновать целесообразные режимы работы первичного двигателя гибридных энергоустановок с точки зрения экологических характеристик, надежности и стоимости владения.

5. Дать экономическую оценку влияния частоты вращения коленчатого вала и других факторов на экологические характеристики первичных дизелей ОАО «ПО Алтайский моторный завод» для гибридных энергоустановок.

Объект исследования: рабочий процесс в первичных дизелях ОАО «ПО Алтайский моторный завод» размерностью 13/14 различного конструктивного исполнения.

Предмет исследования: процессы, формирующие экологические характеристики первичного дизеля гибридной энергоустановки, и зависимость этих характеристик от его скоростного режима, конструктивных и регулировочных параметров.

Методика исследования. Исследования проведены на основе использования методов теории двигателей и математического моделирования. Методика исследования предусматривала сочетание натурных испытаний с численным экспериментом. Достоверность результатов обосновывается подтверждением теоретических результатов экспериментальными; применением экспериментальных методов исследования, соответствующих государственным стандартам; использованием современных средств измерений и испытательного оборудования; сопоставлением результатов с данными других исследователей.

Научная новизна работы заключается в следующих положениях, выносимых на защиту:

1. Обоснован выбор математической модели образования токсичных веществ в цилиндре первичного дизеля, отражающей особенности его функционирования в составе гибридных энергоустановок.

2. Теоретически обоснован выбор целесообразного скоростного режима работы первичного дизеля энергетической установки с точки зрения улучшения его экологических характеристик при условии сохранения или повышения их надежности.

3. Проведена экспериментальная оценка (получены результаты) влияния частоты вращения коленчатого вала и других факторов на экологические характеристики первичного дизеля гибридной энергоустановки, том числе впервые определено содержание твердых частиц в отработавших газах дизелей ОАО «ПО Алтайский моторный завод» размерностью 13/14 гравиметрическим методом.

Практическая ценность исследования. Результаты исследования могут быть использованы при создании гибридных энергоустановок и их систем, модификаций первичных дизелей, предназначенных для работы в составе гибридных энергоустановок, модернизации существующих ДВС-электростанций, при проведении НИР и ОКР, в учебном процессе.

Реализация результатов работы. Материалы диссертации используются и внедрены:

- ОАО РАО «ЕЭС России» и входившими в его состав ОАО «Научно-исследовательский институт энергетических систем» и НПЦ «Малой энергетики» (г. Москва) - при разработке и проведении полевых испытаний гибридной энергоустановки на базе ветроэлектростанции «Заполярная» (г. Воркута).

- ОАО «ПО Алтайский моторный завод» (г. Барнаул) - при доводке продукции по экологическим показателям и разработке модификаций дизелей для энергоустановок.

- НП «Сертификационный центр автотракторной техники» (г. Челябинск) - при проведении испытаний серийной продукции ОАО «ПО Алтайский моторный завод» и разработке рекомендаций по ее доводке по экологическим параметрам.

Апробация работы. Материалы диссертации были доложены и одобрены на заседаниях НТС ОАО «НИИ автотракторной техники» (г. Челябинск, 2006, 2007, 2008); научном семинаре НТС НПК «Агродизель» (г. Москва, 2007, 2008); IV межрегиональной научно-технической конференции «Многоцелевые гусеничные машины (Броня-2008)» (г. Омск, 2008); научно-технической конференции «Повышение эффективности силовых установок колесных и гусеничных машин» (г. Челябинск, 2008); на Международной научно-технической конференции «Улучшение эксплуатационных показателей автомобиле, тракторов и двигателей» (г. Санкт Петербург, 2008).

Публикации. По теме диссертации опубликовано десять печатных работ, в том числе три работы в изданиях, рекомендованных ВАК. Объем и содержание работы. Диссертация содержит 153 с. текста, 68 рисунков 12 таблиц и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 118 наименования и приложения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В связи с бурным развитием нетрадиционной энергетики, в частности ветроэнергетики, и применением на гибридных энергетических установках, устройств, стабилизирующих электрические параметры, появилась принципиальная возможность уменьшить абсолютные показатели выбросов токсичных веществ с отработавшими газами первичных дизельных двигателей и снизить их вредное воздействие на окружающую среду путем подбора эффективных скоростных и нагрузочных режимов, не изменяя конструкции двигателя.

В работе была проведена оценка влияния скоростного режима первичных дизельных двигателей гибридных энергетических установок на их экологические характеристики и даны рекомендации по выбору целесообразного скоростного режима работы дизелей ОАО «ПО Алтайский моторный завод» при условии сохранения или повышения их надежности.

В ходе выполнения работы:

Проведен анализ особенностей функционирования первичного дизеля в составе гибридной энергоустановки.

Обоснован выбор математической модели рабочих процессов поршневого ДВС, отражающей особенности его функционирования в качестве первичного двигателя гибридных энергоустановок.

Предложено использование модели рабочего цикла на основе системы уравнений энергетического и массового баланса рабочего тела в камере сгорания и кинетического механизма окисления углеводородных топлив и синтеза оксидов азота «Kipilen-97». Адекватность математической модели подтверждена экспериментально.

Выполнена расчетно-теоретическая и экспериментальная оценка (в стендовых условиях) влияния частоты вращения и других факторов на экологические характеристики первичного дизеля, а также его надежность.

Дана экономическая оценка влияния скоростного режима первичных дизельных двигателей гибридных энергоустановок на их экологические характеристики.

В результате настоящего исследования подтверждена выдвинутая гипотеза о том, что улучшение экологических характеристик первичных дизельных двигателей гибридных энергоустановок может быть достигнуто выбором целесообразного скоростного режима их работы и установлено следующее:

1. Все дизели ОАО «ПО АМЗ» соответствуют требованиям ГОСТ Р 41.96-2005. Дизель Д-3047, кроме того, соответствует требованиям ЕРА Tier-2. Изменение скоростного режима первичного дизеля в составе энергоустановки не отразится на их соответствии стандартам.

2. При снижении частоты вращения коленчатого вала в 1,2-1,5 раза по отношению к номинальной и уменьшении нагрузки энергоустановки:

2.1. Выбросы оксида углерода дизелей Д-3047 уменьшаются в 1,5-4 раза, А-41 и Д-461 - на 20-30 %; выбросы дизелей А-01 и Д-442 при коэффициенте нагрузки 0,5 снижаются до 30 %, при коэффициенте нагрузки 0,75 увеличиваются на 10-80 %; выбросы углеводородов изменяются мало (± 20 %).

2.2. Выбросы оксидов азота дизелями ОАО «ПО АМЗ» в среднем увеличиваются в 1,7-2,0 раза

Предложена регрессионная зависимость выбросов оксидов азота от основных параметров дизеля (достоверность корреляции R =0,979). Эта зависимость может быть использована в ходе конструктивной доводки дизелей одного типоразмерного ряда по параметрам токсичности и определении допустимых, с точки зрения соблюдения требований стандартов, конструктивных и регулировочных параметров.

2.3. Выбросы твердых частиц (наиболее токсичных компонентов отработавших газов) для дизелей А-01МСИ и Д-3047 уменьшаются в 3-4 раза. Для двигателей А-41 СИ, Д-461 ВСИ и Д-442ВСИ снижение частоты вращения приводит к увеличению выбросов твердых частиц.

2.4. С позиции уменьшения выбросов токсичных веществ с отработавшими газами наиболее целесообразно снижение частоты вращения коленчатого вала первичных двигателей А-01МСИ (6413/14) и Д-3047, для которых суммарный показатель токсичности уменьшается.

2.5. Топливная экономичность улучшается. Максимальная экономия топлива может составить до 25 %, при коэффициенте загрузки 0.5 экономия топлива составляет 15%.

3. Ресурс первичного дизеля при уменьшении частоты вращения в 1,21,5 раза, по результатам расчета, может быть увеличен в 2,2-2,8 раза.

4. Оптимальным, с точки зрения токсичности, топливной экономичности, надежности и стоимости владения, режимом работы первичных двигателей ОАО «ПО АМЗ» является работа по характеристике, представленной на рис. 3.38. Минимальная частота вращения не должна быть ниже 1000 мин"1.

5. При использовании двигатель-генератора мощностью 100 кВт в составе гибридной энергоустановки, где преобразователь частоты уже входит в ее состав, абсолютная величина годового экономического эффекта для дизелей АМЗ в среднем составляет 150-330 и 750-1100 тыс. руб. при коэффициентах загрузки 0,75 и 0,50 соответственно. Преобразователь частоты окупается за 6,1 и 1,1 года, соответственно (при расчетном сроке непрерывной эксплуатации не менее 10 лет). Социальный эффект составляет в среднем по расходу атмосферного воздуха 20-47 и 25-60 %, по выбросам углекислого газа 21-29 и 37-50 %, по тепловому «загрязнению» 27-47 и 48-57 %, по диссипации эксер-гии 27-52 и 49-70 % при коэффициентах загрузки 0,75 и 0,50 соответственно.