автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Основы моделирования внутрицилиндровых процессов и токсичности дизелей тепловозов

На правах рукописи

Булыгин Юрий Игоревич

Основы моделирования внутрицилиндровых процессов и токсичности дизелей тепловозов

Специальность: 05.04.02 -Тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Ростов-на-Дону 2006

- Работа выполнена в Донском государственном техническом университете (ДГТУ)

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор Магнитский Юрий Александрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Носырев Дмитрий Яковлевич;

Ведущая организация:

Всероссийский научно-исследовательский конструкторско-технологический институт ФГУП 8НИКТИ {г. Коломна)

Защита состоится ноября 2006 г. в 1430 часов на заседании диссертационного совета Д218.011.01 в Самарской государственной академии путей сообщения (СамГАПС) по адресу:

443066, г. Самара, 1-ый Безымянный пер., 18, в аудитории 5216, корпус 5 .

С диссертацией можно ознакомиться в этеке академии. Автореферат разослан " о е. и.^ _2006 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью организации, просим направлять е адрес диссертационного совета академии.

Учёный секретарь

Диссертационного совета Д218.011.01

доктор технических наук, профессор Кавтарадзе Реваз Зурабович;

доктор технйческих наук, профессор Цыбизов Юрий Ильич

В.С. Целиковская

Общая характеристика работы Актуальность проблемы. 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.

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. 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".

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 зада чи:

- 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 прогностическими свойствами, для решения исследовательских задач по повышению эффективности и экологичности дизелей тепловозов.

Объект, предмет и методы исследования. Объектом исследования является теплосиловая установка тепловоза, включающая в себя ДВС. Предметом исследования являются внутрицилиндровые процессы и процессы образования токсичных веществ дизелей тепловозов. 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 моделей внутрицилинд-ровых процессов ДВС и образования вредных веществ в ОГ дизелей тепловозов производилась на основе обширного эмпирического материала, полученного при испытаниях тепловозов автором и другими исследователями.

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 %.

Научная новизна. Разработаны углубленные математические модели расчета рабочего процесса ДВС (химической кинетики и термохимическая), позволяющие производить комплексный анализ энергоэкологических 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 топливопо-дачи; 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.

На защиту выносятся;

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 энергоэкологических параметров ДВС.

6.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 значимость результатов исследования.

1. Разработаны компьютерные программы для реализации моделей, основанных на современных физико-химических представлениях о рабочем процессе тепловозного дизеля и позволяющие произвести оперативную оценку 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 диагно-

стики 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.);

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

- 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, 200бг);

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

Г.);

- Научно-техническом совете ФГУП ВНИКТИ (г. Коломна, Московская обл., ВНИКТИ, 2006г.);

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 39 печатных работ, в том числе 2 монографии, 32 статьи, 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении доказана необходимость повышения экономических и энерго-экологических характеристик работы тепловозных дизелей. В качестве методов и средств на пути решения этой проблемы предлагается использование математического и компьютерного моделирования рабочего процесса ДВС.

В первой главе рассмотрены различные методы повышения экономичности и экологичное™ дизелей тепловозов.

Рассмотрены работы по снижению вредного воздействия на окружающую среду подвижного состава, выполненные Всероссийским научно-исследовательским институтом железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ), Всероссийским научно-исследовательским конструкторско-технологическим институтом (ФГУП ВНИКТИ), Московским государственным техническим университетом (МГТУ им. Н.Э. Баумана), Центральным

научно-исследовательским дизельным институтом (ЦНИДИ), Брянским машиностроительным заводом (ОАО БМЗ), Ростовским государственным университетом путей сообщения (РГУ ПС), "Экологией транспорта" НИИ МиПМ РГУ, Самарской Государственной Академией путей сообщения (СамГАПС) и др..

Тепловозы являются основными загрязнителями атмосферного воздуха на железнодорожном транспорте. На их долю приходится не менее половины выбросов окислов азота всей отрасли и значительная часть выбросов сажи. В непосредственной близости от тепловоза предельно допустимая концентрация (ПДК) по этим ингредиентам превышена в десятки раз и достигает допустимого значения на расстоянии 2,5 - 4 км. Поэтому вопрос снижения выбросов вредных (загрязняющих) веществ тепловозными дизелями при их эксплуатации, а также во время реостатных испытаний на пунктах экологического контроля (ПЭК) является важнейшей задачей на железнодорожном транспорте. Как показывают исследования, даже при соблюдении европейских стандартов на нормы выбросов вредных веществ дизельными двигателями по оксидам азота на номинальном режиме работы тепловозов будет наблюдаться превышение ПДК в 4 + 7 раза при размерах СЗЗ для магистральных тепловозов 800 м, а для маневровых тепловозов 500 м.

На рис.! представлены основные методы повышения экономичности и экологичности дизелей тепловозов и специальной техники. Все мероприятия разделяются на технологические, санитарно-технические, планировочные и административные. По этим четырем направлениям непрерывно ведутся научно-исследовательские работы, начиная с момента создания тепловозов. При этом выделяются два принципиальных подхода.

Первый это повышение экономичности и экологичности тепловозов за счет внедрения мероприятий внутри источника загрязнений, т.е. исследования направленные на улучшение показателей работы дизеля. К таковым можно отнести:

-совершенствование рабочего процесса двигателя (оптимизация геометрии камеры сгорания (КС) дизеля, основных параметров рабочего цикла);

-применение новых перспективных конструкций и схем работы ДВС (роторно-поршневые, комбинированные схемы из двух ДВС, двигатели со свободным газотурбинным наддувом);

-регулирование УОВ топлива, продолжительности топливопода-чи, давления впрыска, настройки топливной аппаратуры;

Рис. 1. Методы повышения экономичности и экологичности дизелей тепловозов и специальной техники

-использование новых или модернизированных топливных систем на тепловозных дизелях (внедрение аккумуляторных топливных систем, электро-гидравлических форсунок, систем электронного зажигания);

-использование альтернативных и комбинированных видов топ-лив и энергий (переход на газодизельный цикл рабочего процесса, применение аккумуляторных батарей);

-использование катализаторов, топливных присадок и водотоп-ливных эмульсий (ВТЭ);

-применение рециркуляции ОГ при частичных нагрузках работы маневровых тепловозов;

-охлаждение свежего заряда и дросселирование на впуске дизеля.

Второй подход реализует принцип уменьшения вредного воздействия от технического объекта на пути распространения загрязнений. К основным направлениям второго подхода относятся:

-использование различных устройств и систем очистки ОГ тепловозов от вредных выбросов (в первую очередь от N0« и сажи);

-осуществление своевременных проверок тепловозов на соответствие их выбросов техническим нормативам выбросов загрязняющих веществ посредством организации контроля токсичности отработавших газов дизелей с использованием приборов газового анализа и оборудования ПЭК в соответствии с методикой безразборной диагностики по технико-экологическим показателям (рис.2);

-выдача разрешений на выбросы вредных веществ тепловозами (административные методы запрета или разрешения на эксплуатацию тепловозов), установление СЗЗ для предприятий, эксплуатирующих тепловозы.

Естественно, что решение вышеприведенных задач невозможно без детального математического и компьютерного моделирования процессов, протекающих в двигателях транспортных средств. Известно, что в настоящее время обладающие множеством неоспоримых достоинств инженерные методики расчета рабочего процесса ДВС не дают достоверного ответа на вопрос об уровне экономичности и экологичносги системы "двигатель-топливо-процесс". Данная проблема может быть решена при использовании имитационных математических моделей (ИММ), основанных на подходах химической кинетики горения и термохимии, позволяющих определять весь спектр энергетических, экономических и экологических характеристик двигателей. Ценность разрабатываемых моделей заключается, во-первых, в возможности осуществлять расчеты во всех эксплуатационных режимах работы транспортных средств, а во-вторых, модели ориентированы на любые виды используемых топлив, в том числе ряд альтернативных. Программная реализация моделей позволяет их использовать и развивать на стадиях предпроектной оптимизации конструкций камер сгорания двигателей, фаз топливоподачи, характеристик рабочего процесса и для целей технической диагностики ДВС. Кроме того, давно назрела необходимость разработки для ПЭК тепловозных дизелей аналитических методов оценки их технико-экологических параметров и использование их в совокупности с инструментальными методами для оценки технического состояния тепловозов в локомотивных депо.

Рис. 2. Блок-схема испытательного стенда метода технико-экономической оценки состояния дизелей подвижного состава

Во второй главе выполнен обзор и анализ существующего состояния в моделировании рабочего процесса тепловых двигателей. Вопросам моделирования внутрицилиндровых процессов в ДВС посвящены исследования Воинова А.Н., Иноземцева Н.В., И.И. Вибе, Симеона А.Э., Кудряша А.П., Иващенко H.A., Кавтарадзе Р.З., Разлейцева Н.Ф., Косова Е.Е., Звонова В.А., Петриченко P.M. и др.. Анализ существующего состояния выявил ряд серьезных недостатков как в методиках расчета, так и в теоретических подходах к ним. Прежде всего, это отсутствие законченных и вполне достоверных методов расчета процесса сгорания с учетом протекания процесса во времени и оторванность их от экологических расчетов. Кроме того, отсутствие сбалансированных моделей рабочего процесса ДВС "средней сложности" легко адаптируемых к программной реализации в виде субмоделей (программных модулей). Доказано, что наиболее перспективным методом при исследовании энергетических и экологических характеристик известных и новых типов двигателей, работающих на традиционных и альтернативных видах топлив становится комплексное компьютерное моделирование внутрицилиндровых процессов ДВС.

Отмечены достоинства компьютерного моделирования при исследовании эффективности и экономичности ДВС. Среди которых следует выделить:

- способность лучшего понимания сложных явлений, происходящих в двигателе, и в частности, их влияния на характеристики ДВС;

- возможность уменьшить количество используемых эмпирических зависимостей и более достоверно учитывать физико-химические явления;

- возможность произвести большое количество численных экспериментов, моделирующих процессы, которые трудно реализовать на практике;

- способность автоматизации процесса проектирования ДВС одновременно по энергетическим, экономическим и экологическим показателям качества работы двигателей с поиском оптимальных решений.

Во второй главе также был произведен обзор и анализ различных моделей образования вредных веществ, уделено особое внимание моделям образования и гибели оксидов азота в камере сгорания ДВС, как наиболее токсичного компонента в отработавших газах дизелей.

В третьей главе представлены разработанные математические модели рабочего процесса в ДВС с возможностью определения энергоэкологических и экономических показателей работы тепловозных двигателей. Описание химических превращений в ДВС является наиболее уязвимым местом существующих математических моделей. Их детальный подробнейший учет может рассматриваться как существенный шаг впе-

ред на пути создания нового поколения математических моделей внутри-цилиндровых процессов, базирующихся на имитационном потенциале физико-химической кинетики.

Модель химической кинетики сконструирована в следующих предположениях:

- темп наиболее быстрых реакций, сопровождающихся значительным энерговыделением (поглощением), не превышает уровня, при котором нарушается больцмановское распределение частиц по кинетической энергии;

- все реакции обратимы;

- константы скорости прямой и обратной реакций взаимосвязаны через энергетику превращения - их отношение равно константе равновесия;

- скорость каждой элементарной реакции подчиняется закону действующих масс, т.е. пропорциональна произведению концентраций реагентов.

Кинетическое уравнение химических превращений в камере сгорания ДВС имеет следующий вид:

с1с: с/!п V

+ (1)

где С/ и // - концентрации /то химического компонента (в газообразном состоянии) и скорость его наработки в химических реакциях при постоянном объеме; г- текущее время; Г и V- температура и мгновенный объем КС; д, и Л /-скорости изменения концентрации /-го компонента в результате турбулентного переноса вещества и фазовых переходов, т.е. испарения топливных капель. В частном случае, при д,- = Л, = О для всех компонентов уравнение (1) описывает химические превращения при бесконечно интенсивном перемешивании и постоянной массе рабочего тела. Турбулентный член в уравнении (1):

3/ = ~61,02 ' 0 <ск' + (б1/0*2 - 6!,02 >' кшЬ ■ с02 ' где 6 и символ Кроннеккера.

N. ЗОг тг(0) ЗО

Коэффициент Л. = б. р ■ ——---------ехр(--— -г),

' V ^ (V ^

где ЫА и ¿V - число Авогадро и молекулярный вес топлива; гп((0) и и - цикловая подача и удельная теплота парообразования топлива;

Лу - средний диаметр капель распыленного топлива; ¿V - коэффициент

диффузии паров топлива в вакуум; индекс Г обозначает топливо с условной формулой например для дизельного топлива (ДТ) СиН30. Математическая модель турбулентности, которая учитывается в уравнении химпревращений (1) в КС ДВС выглядит следующим образом.

Предполагается существование двух форм молекулярного кислорода Ог *

и <?2 / причем химически активна и участвует в превращениях лишь вторая форма. Кислород же в форме 02 может превращаться в СЬ> в единственной необратимой реакции активации:

О г —> О/, (2)

где Аа*й[1/с]- константа скорости перехода кислорода в активную форму, численно равная обратному времени турбулентной диффузии кислорода в топливный факел или очаг горения или отношению поверхности факела (или очага горения) к коэффициенту диффузии кислорода в условиях заряда 01игЬ = О (1 + Не), те О- коэффициент молекулярной диффузии; /?е- число Рейнольдса.

С физической точки зрения такой подход представляется вполне обоснованным при условии согласования величин к(игЬ и коэффициента избытка воздуха о как имеющих общую природу.

Искусственно введенная константа скорости перехода кислорода в активную форму горения (2) есть временная характеристика, которая характеризует качество перемешивания топливовоздушной смеси и для каждого типа тепловозного дизеля подбирается в результате численных экспериментов в сравнении с эмпирическими данными по данному дизелю. Фактически, модель, таким образом, дополняется фактором, учитывающим интенсивность смесеобразования и идентифицируется по основным индикаторным показателям работы ДВС (давлению и температуре) причем в соответствии с нагрузочной характеристикой тепловозного дизеля.

Нагрев рабочего тела в процессе горения-расширения описывается уравнением:

сГГ _ 1 Я Т сИпУ 1 ¿(¿и__1 И

с!т ~ М Су с/т Су <1т МСу с/г ~ М-Су с/г '

где Л/= и Су = Су (Ск, Т) - количество газообразного вещества в КС и молярная изохорная теплоемкость рабочего тела; /? - универсальная газовая постоянная; <2*, С>п и - количество теплоты, выделяемое в процессе химических превращений, теряемое в результате

совокупного теплообмена между рабочим телом и стенками КС и расходуемое на испарение капель топлива.

Скорость тепловыделения в химических реакциях описывается уравнением:

к

где Нк и И^ - тепловыделение к-ой химической реакции и ее скорость.

Необходимый для расчета тепловыделения термодинамический эффект каждого элементарного химического акта определяется как разность теплот образования исходных реагентов и продуктов реакции [2].

Уравнения непроизводительных тепловых потерь и изменения объема камеры сгорания двигателя можно записать в виде:

с/г Зтг С\/ ™

-V

¿¡„у Япы ■ т + (Лд/2) ■ 5/п2 ■ ш-т

_____ -

А + . (1 _ Созш • т + (А д /2) • Бт 2 2ш т)

•ш, (б)

где с/ и 5„- диаметр цилиндра и ход поршня; а^ и Г, - усредненный коэффициент теплоотдачи,. частота вращения коленчатого вала двигателя и температура стенок камеры сгорания; е и Лл - геометрическая степень сжатия и отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.

Уравнения (1) - (б) дополняются замыкающим соотношением, учитывающим термодинамическое состояние рабочего тела:

Р-У^М-Я-Т, (7)

где Р - давление газов в цилиндре ДВС и начальными условиями. Последние выбираются в соответствии с конкретным типом двигателя и способом организации рабочего процесса.

Отличительной чертой и главным достоинством кинетической ИММ является наиболее полный учет химических реакций (до 400 хим-превращений). В результате, интегрированием уравнений (1) - (7) можно определить временные показатели химизма - период задержки воспламенения, максимальный темп энерговыделения, критические условия для

воспламенения смеси - синтетическим образом, т.е. на основе первичных кинетических данных по отдельным элементарным реакциям. Таким образом, в рамках модели имитируется динамика совокупного горения посредством комбинации динамических показателей отдельных параллельно и последовательно протекающих реакций.

Разработанная в [2] кинетическая схема горения, позволяет синтезировать временные и другие кинетические показатели топливо-воздушного заряда. Следует подчеркнуть, что при формировании кинетической схемы отбирались только реакции, существенные для совокупного химизма. Фрагмент кинетической схемы образования окислов углерода и углеводородов в поршневом ДВС [3] приведен в табл.1.

Таблица 1

Реакции горения углеводородных топлив в ДВС [9] (фрагмент)

Схема реакции: д+В+С —О+Е+Я Константа скорости реакции к

02+02 0+03 8.010"12 е™2Л'т

о+н2о2 -> он+но2 1.410"12 е"2000/7"

СцН3о —■> 2С3Н5 + З.5С2Н4 + СН4 5.10«е-пио«г

С3Н6 С2Н4 + 0.5С2Н2 + Н 5.10»е-13000/Г

В третьей главе представлена также термохимическая модель, построенная на следующих допущениях:

- система реагирующих веществ консервативна;

- газовая фаза идеальна и ее состояние описывается уравнением Менделеева-Клапейрона;

- жидкая и твердая фазы представляют собой чистые вещества или идеальные растворы, удельные объемы которых ничтожны по сравнению с удельным объемом газовой фазы;

- молярные теплоемкости компонентов СР не зависят от температуры.

Методы формирования моделей термохимии можно разделить на две группы. В первую входят расчетные схемы, основанные на минимизации совокупного изобарно-изотермического потенциала для физико-

химической системы с реакциями и фазовыми переходами, а во вторую -алгоритмы решения систем уравнений термодинамического равновесия, материального баланса и состояния. Эти уравнения являются следствием уравнений термохимического потенциала типа Гиббса-Гельмгольца.

Первый подход основан на определении химического и в общем случае фазового состава рабочего тела путем решения системы алгебраических уравнений.

В рамках второго подхода ИММ термохимического равновесия сгроится как совокупность / уравнений двух типов: J соотношений материального баланса - по числу входящих в систему химических элементов и К соотношений, определяющих смещение равновесия в допустимых реакциях превращения или изменения агрегатного состояния, которая базируется на предположениях о быстром одностадийном превращении реагентов в продукты сгорания и мгновенной термализации выделяющейся энергии. Таким образом, тепловыделение Л 11(<р) однозначно связывается с долей прореагировавшего топлива х(<р) в зависимости от текущего угла поворота коленчатого вала ДВС ср. Впоследствии их значения служат исходными данными для расчета равновесного химического состава в камере сгорания дизеля по Гиббсу-Гельмгольцу:

АН RT

Ф ¡--— — R • !пМ. + .. -ip . =0 , i=l,...I, (8)

Т v]'J

Y.fj¡-M¡ = bj ,j=l,...J (9)

MRT

p= v ,M = ZM¡ (10)

В уравнениях (8) - (10) M¡ - равновесное количество /-го химического компонента в камере сгорания дизеля; f;¡j - число атомов /го элемента в /-ом компоненте; bj- молярное содержание /го элемента в камере сгорания; Ф¡ и АН ■ - соответственно приведенная энергия Гиб-

бса и теплота образования Aro компонента из простых веществ в стандартных условиях; i/j j - неопределенные множители Лагранжа.

Важным преимуществом данной математической модели, например перед моделью, изложенной в [2] является возможность оценивать концентрации значительно большего числа вредных веществ в отработавших газах дизелей тепловозов. Для решения уравнений (8)-(10) в [9] разработан итерационный алгоритм, сходимость которого обеспечивает-

ся при любых значениях термодинамических параметров вне зависимости от качества начального приближения. При расчете химического состава выхлопных газов в термохимической суб-модели учтены следующие вещества: N2, 02 - основные компоненты воздуха; С02, Н20 - продукты полного сгорания углеводородных топлив; СО, СН3, С2Н4 - продукты неполного сгорания углеводородов; N20, NO, N203, N02, N205 - побочные продукты окисления азота в КС; SO, S02, S03 - продукты окисления серосодержащих примесей в топливе; твердые частицы (ТЧ) С™ и STB. Использованные при составлении модуля схема химического равновесия и отвечающие ей исходные термохимические данные для основных реагентов, продуктов и промежуточных веществ представлены в [9].

Практическим преимуществом данного подхода является возможность оценивать концентрации значительно большего числа вредных веществ в выхлопе ДВС. Это связано с тем, что для многих сложных органических соединений в справочной литературе имеются надежные термодинамические данные, которые используются в данной модели в качестве исходных. В то же время кинетическая информация об образовании таких веществ в условиях рабочего процесса ДВС неполна и труднодоступна.

Однако рассчитанные по вышеприведенным моделям равновесные концентрации N0 в условиях тепловозных ДВС оказались на два порядка ниже фактических. В связи с этим, в настоящей работе была использована модель образования окислов азота, основанная на методах математической статистики и учитывающая явление их "закаливание "в КС ДВС (см. Яценко О.В.. и др. "Статистические методы и идентификация математических моделей токсичности транспортных двигателей Изв. вузов. Сев.-Кав. регион. Естеств. науки. 2005. №2. С. 20-26.). Описанный алгоритм инициализации И ММ образования окислов азота в ДВС можно классифицировать как метод каскадной (двухэтапной) факторизации. При реализации данного метода на основе обширного эмпирического материала по выбросам N0, полученного автором на ПЭК тепловозов были определены коэффициенты С и D, входящие в уравнение Я.Б. Зельдовича, описывающее процессы образования и гибели оксидов азота.

Таким образом, адекватный сценарий внутрицилиндровой брут-то-кинетики N0, например, для тепловозного дизеля K6S310DR оказался следующим:

-32000

-38000 т, ,

аср ш

где С=22202, 0=4,1. В результате последующего интегрирования уравнения (11) были получены зависимости [ЫО]=%<р) на различных режимах работы по нагрузочной характеристике данного дизеля, которые доказали наличие в камере сгорания полной закалки термических оксидов азота. Полученные результаты расчетов хорошо согласуются с имеющимися экспериментальными данными. Также были определены коэффициенты С и О в уравнении (11) и для других типов тепловозных ДВС.

Наконец, в третьей главе представлена нульмерная газодинамическая модель (квазигазодинамическая), которая является, по сути, альтернативой предлагаемому химкинетическому подходу к расчету рабочего процесса ДВС. При этом медленные динамические процессы - впрыска, испарения топлива, смешения, теплообмена - описываются дифференциальными уравнениями, а быстрые химические - алгебраическими.

В четвертой главе описаны компьютерные модели, имитирующие внутрицилиндровые процессы, протекающие в тепловозном дизеле.

Проанализированы свойства и характеристики моделей. В настоящее время в практике проектирования ДВС более серьезное внимание уделяется рассмотрению процессов горения в камере сгорания двигателя с позиций неравновесной химической кинетики, чем классической равновесной термодинамики или даже термогазодинамики топливного факела. Основными (базовыми) уравнениями в моделях горения топливного заряда в камерах сгорания тепловых двигателей являются выражения, представленные в форме Шваба-Зельдовича и подробно описанные в [2], [3].

Материальная открытость системы в кинетической (1)-(7) и квазигазодинамической моделей учитывается посредством аппроксимации впрыска топлива гладкой функцией вида

С1

С(т( = ц/(п) • -7=-^-ехр

^п-Ат,- ■

ЛТЮ]

(12)

где г«, и Д гт1 обозначают момент начала подачи топлива в КС и ее длительность; п= 2. .х - степень близости распределения топливопо-дачи во времени к гауссову и прямоугольному; у(п) ~ 1- нормировочный

множитель. Для аппроксимации законов впрыска с ярко выраженной асимметрией удобно использовать линейную комбинацию двух законов типа (12), удовлетворяющую условиям подобия и нормировки.

Энергетическая открытость уравнений (1)-(7) и квазигазодинамической ИММ учитывается посредством широко используемого в инженерных расчетах уравнения Ньютона-Рихмана.

Возникновение детонации в ИММ на основе уравнений (1)-(10) отслеживается путем сравнения вычисляемого на каждом шаге истинного темпа подъема средней температуры в КС с контрольным значением этой величины, получаемым в предположении, что фронт пламени распространяется со скоростью звука и? Математическая формулировка используемого при расчетах критерия возникновения детонации имеет вид:

<ЗТ/с!т £ (и5/!)' Т (13)

Опыт тестирования всех описанных выше ИММ побудил к их усовершенствованию в части учета неоднородности заряда. Действительно, рассчитываемые в предположении однородности состава концентрации продуктов сгорания оказываются заниженными. Это касается как продуктов неполного сгорания - СО, СпНт, так и побочных продуктов окисления N0*. Объяснение данного факта состоит в том, что выход этих продуктов в реальных ДВС в большей степени, определяется неоднородностью топ-ливно-воздушной смеси, нежели гомогенными процессами окисления.

С целью проверки этой гипотезы предположение об однородности заряда было заменено на предположение о существовании в нем трех внутренне однородных зон:

1) зоны с номинальным коэффициентом избытка воздуха ал=а , в которой сгорает х-я часть топлива (0 < 1);

2) зоны с коэффициентом избытка воздуха а г - 0,7, где сгорает (1/2)-(1-л) доля топлива;

3) зоны с коэффициентом избытка воздуха а 3 = 2 а - 0,7, где сгорает остаток топлива. Итоговая концентрация /-го компонента в ОГ рассчитывается по формуле:

<с;> = (1/2) (1-л) С/0'7 +хс,а ^1/2)-(1-а) С/2а '0,7, (14)

где верхний индекс при с, соответствует локальному коэффициенту избытка воздуха. В расчетах для аппроксимации л-используется зависимость х — г д,/ т дй), в которой г с„ и г дб являются характерными временами химического окисления заряда и газодинамического перемешивания. Внесение описанной коррективы в исходную ИММ значительно улучшило согласие рассчитываемых величин с,- с известными из эксперимента данными.

Описанные выше имитационные математические модели (ИММ) рабочего процесса в ДВС были объединены в рамках единого программного продукта - автоматизированной системы (АС) компьютерного моделирования энергетических и экологических характеристик транспортных двигателей ENGINE [22]. Создание AC ENGINE можно рассматривать, с одной стороны, как переход на более высокий уровень инженерных расчетов рабочего процесса в ДВС, а с другой, как альтернативу исследовательским технологиям детального компьютерного моделирования горения.

AC ENGINE реализована в двух вариантах - исследовательском и учебном. Исследовательская версия АС объединяет все три ИММ, а также информационно-справочную систему. В состав учебной версии входят наиболее простая и наглядная термодинамическая модель рабочего процесса, модель термохимического анализа продуктов сгорания и модули поддержки обучения.

Исследовательская версия АС включает: базы данных (БД) по существующим конструкциям и топливам; модули термодинамического и термохимического анализа; модуль детального моделирования химии горения топливо-воздушного заряда; модуль расчета квазигазодинамики горения; модуль ввода-вывода, интегрированную в символьно-графический интерфейс пользователя. Структурная схема AC ENGINE представлена на рис. 3. В базах данных хранятся технические характеристики существующих ДВС и физико-химические свойства топлив; для внесения дополнений и изменений в БД в составе AC ENGINE имеется соответствующая СУБД. Предполагается использование БД на ранних этапах разработки новых конструкций при первичном выборе технических решений исследуемого двигателя. Таковыми являются: компоновочная схема, рабочий объем цилиндров и их число, частота вращения коленвала и другие параметры. Внесение в конструкцию необходимых уточнений и/или изменений осуществляются при помощи вышеперечисленных аналитических средств. Модуль термодинамического (ТД) анализа является программной реализацией классического расчета рабочего цикла поршневых машин. Модуль химической кинетики (ХК) реализует разработанную методику имитационного моделирования горения в ДВС, справедливую в определенной степени для любых поршневых двигателей и углеводородных топлив. Ядро модуля квазигазодинамики (ГД) горения составляет нульмерная математическая модель динамики-смешения-горения топливного факела в двигателе с любым - как внешним, так и внутренним смесеобразованием. Модуль хорошо приспособлен для моделирования рабочего процесса в ДВС с воспламенением от сжатия и инжекторным впрыском, где заряд неоднороден по составу и температуре, и правомочность при-

менения ИММ химической кинетики может оспариваться. Модуль термохимии (ТХ) реализует алгоритмы решения систем уравнений термодинамического равновесия, материального баланса и состояния. Эти уравнения являются следствием уравнений термохимического потенциала типа Гиббса-Гельмгольца. Подсистема ввода-вывода реализована с использованием как символьных, так и графических возможностей IBM-совместимых ПК, что делает ее доступной и удобной в эксплуатации для широкого круга инженеров - исследователей. Вид наиболее часто используемых форм ввода-вывода исследовательского варианта АС показан на рис.4- 6. Оболочка АС и пользовательский интерфейс запрограммированы с использованием системы Delphi, а расчетные модули подсистем -алгоритмического языка Фортран. Удобство работы с АС обеспечивается проблемно-адаптированной организацией интерфейса пользователя, выражающейся в категорировании входных и выходных параметров по физическому и техническому содержанию, а также наличием всплывающих подсказок, активизированной системы параметрических ограничений и других сервисных возможностей.

Имитационные возможности исследовательского варианта АС позволяют решать с ее помощью разнообразные исследовательские задачи, в частности, оптимизацию рабочего процесса ДВС, вопросы диагностики, факторного анализа и ранжирования протекающих процессов, применения альтернативных топлив и снижения токсичности ОГ.

В пятой главе представлены практические результаты компьютерного моделирования и их сравнение с данными физических экспериментов.

С целью доказательства адекватности разработанных моделей были произведены расчеты и исследования основных типов тепловозных ДВС, применяемых в качестве силовых установок на подвижном составе, таких как 10Д100, 2Д100, 1А-5Д49, K6S310DR и 1Д49. На рис.7 а-б показаны рассчитанные индикаторные характеристики широко распространенного двигателя 10Д100 по химкинетической модели в сопоставлении с данными натурных измерений (см. Двигатели внутреннего сгорания (тепловозные двигатели и газотурбинные установки) / Симеон А.Э., Хомич А.З., Куриц A.A. и др. - М., Транспорт, 1980).

Индикаторные диаграммы на рис.7, соответствуют режиму номинальной нагрузки. Результаты расчетов свидетельствуют о том, что ошибка моделирования динамических энергетических характеристик рабочего цикла ДВС не превышает 5-10 %. Погрешность определения статических показателей, таких как среднее индикаторное давление и мощность составляет не более 3 %. Кроме того, расчётные значения макси -

Рис. 3. Структурная схема исследовательской версии автоматизированной системы ENGINE

:;Тактиость У- М

КОНСТРИКТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ДВИГАТЕЛЯ: Число

: цилиндров

N- 6

КС

ПП 0- 31

Частота е- 550

Степень сжатия

РК/ХП

Вид топлива

Ш

ХАРАКТЕРИСТИКИ МОТОРНОГО ТОПЛИВА: •Агрегатное состояние

нзсиьное топливо

I®

Теплотворность

142830 Пж/r I

Состав топлива, кассовых J<

С Н ON S РЬ Л W :

@0@@0D0Ю

ПАРАМЕТРЫ РАБОЧЕГО ЦИКЛА: '

Начальное . давление

КИП

Я.-[Гз |

ДРК Л- Гйо

Начальная температура

МНВ

Г,-|317 W

гл

ткс

3 па

550

т.-

Л,- 24

Модель горения:1 I Г Газодинамическая i г* Хнмкннггмчсскяя

Копировать форму в ф8ЙА

<< Вернуться

Рассчитать хннгазодниамнку »

Рис. 4. Ввод условий химкинетического или газодинамического расчета в исследовательской версии программы ENGINE

1700 •

isuu i:«oo

tiOO 9П0 700: 500 300

¿.«■рад

-100 -120 -60 0 eo 120 »30 Инд икчториач диаграмм« • 7(/)

ООО -120 -60 0 60 120 180 Индиклторная диаграмма - f\fi

Расчетные энергетические характеристики двигателя

Тепловыделение при f * 0 • 35.9%

Тепловыделение при Р**• 87.0%

Длительность сюр8ния*г- 4.1 (рад ПКВ pt > но грм. ш ■ З.в атм

Мощность И-' 657.2 л с. КГЩтепло»ой «j-25,3 % ^•МОгм* №>'* *

Удельный р&мод тепли**- 244.8 tfn.e.v. Р^-0.7 «ты

Жесткость «горения 4.915 атм/градПКВ к/градлка

Рис. 5. Выдача результатов химкинетического и газодинамического расчетов в исследовательской версии программы ENGINE

Дифференциальные экологические показатели:

Вещество ' Химическая формула I Содержание в ОГ. {объемных К -||

Оксид угле ро о а Углеводороды Оксиды азота Окем а ы серы Соединения спинца со j СпНт NxOy SOx ; Pl>0, PfcCH i 0.0818 0.0035 0.0007 0.0002 0 усл. Г/КГ ТОПЯ.

Углекислый гаэ Подямой пар Кислород Амт ; саг ! нго ог ; N2 6.6817 B.Z364 10.40 76.4072

Углерод сажи Сера зольная Ств STD 0

Интергальные экологические показатели:

Параметр Обозначение] Величии»

Димностъ оыхлоля Экологичностьпо СО Д ! Е . ; "i- У у.- f. ' for,л.

« Вернуться

Эколого-экономнчеСкнй коэффициент * [экологичностъпо СО] х {удельный расход топлива] ■ 177.8017 усл. г/я.с. чес

Рис. 6. Выдача результатов расчета экологических показателей в исследовательской версии программы ENGINE

а 6

в

т, к

Рис.7. Индикаторные диаграммы дизеля 10Д100 на номинальном режиме:

а - мгновенное давление в цилиндре; б\л в - мгновенная средняя температура.Сплошной линией на рисунках а, 5отображены результаты компьютерного моделирования, штриховой - данные технического эксперимента; на рисунке в-. 1 - расчёт по ХК модели при.с1к = 40мкм; 2 - расчёт по ХК модели при с1к = бОмкм; 3 - экспериментальные данные.

мумов давлений и температур наблюдаются при углах поворота вала двигателя не отличающихся от экспериментальных значений более чем на 1-2 угловых градуса. Результаты численных экспериментов подтверждают справедливость ИММ при сохранении уровня точности вплоть до режимов соответствующих малым нагрузкам и холостому ходу. В ходе моделирования рабочего процесса были произведены расчеты в пределах допустимых исходных параметров, значимо влияющих на индикаторные показатели цикла. Такими параметрами являются в первую очередь

средний диаметр капель (/„топлива по Заутеру и коэффициент теплоотдачи от газа стенкам цилиндра aw . В результате были получены расчётные поля, внутри которых укладываются экспериментальные индикаторные показатели рабочего цикла.

Таким образом, при тщательном тестировании химкинетической модели, получение внутрицилиндровых параметров работы ДВС с погрешностью, не превышающей 5-10 % возможно в широком диапазоне значений частот вращения коленчатого вала и коэффициентов избытка воздуха.

Изучение свойств химкинетической модели было продолжено и при сравнении расчётных и экспериментальных кривых тепловыделения и интенсивности тепловыделения при различных условиях распыла топлива.

Анализ результатов (см. рис. 8) доказывает справедливость рекомендаций проф. A.C. Лышевского к выбору размеров распыливаемых форсун- ' ками топливных капель на номинальном режиме работы тепловозного ДВС - 60-70 мкм. Также была проведена проверка адекватности моделей по экологическим показателям работы ДВС. Сравнительная оценка существующих методов расчета состава продуктов сгорания топлива и разработанных в настоящей работе, на примере тепловозного дизеля 10 Д100 (табл. 2), позволяет сделать следующие выводы:

- каждый (кроме разработанных 7 и 8-го) из рассмотренных методов оценивает узкий перечень вредных выбросов с отработавшими газами тепловозного дизеля;

- разработанные методы 7 и 8 позволяют аналитически определить содержание окислов серы и продуктов полного сгорания топлива;

- результаты расчетов хорошо согласуются с данными, взятыми из технических нормативов на выбросы (ТНВ) по ГОСТ Р 50953-96 и результатами экологического контроля на ПЭК.

С целью проверки адекватности, разработанных моделей был произведен сравнительный анализ экспериментальных данных, полученных на ПЭК по приборам газового контроля (IMR-1400 и ИДС-1) с результатами численных экспериментов и данными выбросов вредных веществ тепловозами по ГОСТ Р 50953-96. Как видно из рис.9 а и 9 б сходимость полученных расчетом концентраций вредных веществ в ОГ дизелей тепловозов ЧМЭ-3 и 2ТЭ10 составляет - 10-15 %.

Расчеты произведены по позициям контроллера машиниста.

Таблица 2

Сравнительная характеристика методов расчета состава ОГ дизеля 10Д100 на 15-й позиции КМ

Продукты Количество продуктов сгорания топлива (кг/ч) в отработавших газах дизеля по различным методам расчета

сгорания 1 2 ! 3 4 5 6 7 8 9

С02 2063 1845 - - - - 1548,5 1543,5 1 -

Н20 759 725 - - - - 598 ! 598,4 1 -

02 1195 - - : 1227 1710 1710 -

N2 11102 6809 ! - - - - 11150 . 11144 -

ЭОз 8,02 1 - 1........3,15....... - - ЗД6 3,16 > -

СО ■ 139 20,48 ■ 73,11 - 14,89 ........26,2_______] 33,8 35,8

Н2 ■ 3,73 ! - - - - - -

N0, 88,83 - - 72,99 5,9 5,3 87,2

МО ! - 67,88 - - 5,79 5(1 Б4,б

N0; ! - - - 62,02 0,11 0,20 ! 2,6

С ■ ! - : 3,22...30,2 - . 13,76...38,35 . 2,8 __М........ ; ..2,8.......

СпНгп ■ ! -.......... 2,38 . .2,5.3......; 10,4

В таблице приняты следующие обозначения:

1- метод расчета продуктов сгорания по условию полного сгорания при а > 1;

2- метод расчета продуктов сгорания по условию полного сгорания при о = 1;

3- метод расчета количества вредных выбросов с учетом временных (допустимых) норм выбросов;

4- метод расчета количества вредных выбросов с учетом удельных норм выбросов тепловозов;

5- метод расчета количества продуктов сгорания по условиям равновесия для топлива С=0,86; Н=0Д4;

6- метод расчета количества вредных выбросов по нормативной документации ПЭКоз;

7- расчет по модели химической кинетики (трехзонное горение в КС с различным а);

8- расчет по газодинамической модели трехзонное горение в КС с различным о);

9- ТНВ вредных веществ тепловозов, полученные на основе ГОСТ Р 50953-96.

а

б

«

Рис. 8. Характеристики теполовыделения дизеля 10Д100: а - активное тепловыделение; б- интенсивность тепловыделения. 1 - расчёт по ХК модели с!к = 20мкм; 2 - расчёт по ХК модели с1к = 80мкм; 3 - экспериментальные данные (см. Топливная экономичность силовых установок тепловозов. Володин А.И., Фофанов Г.А. М., Транспорт, 1979)

45 45

—I

4?

30

ГШ

III

0„ 4 в 11 15„„

Патин» конт)№ллгр»

Рис. 9а. Дымность ОГ дизеля 10Д100 1 - нормы выбросов по ГОСТ 50953-96; 2 - результаты измерений на ПЭК; 3 - расчёт по ХК модели

11___ > Г)

, j I—■—I з ]

t-NO . Г/М I Г-Т-ГТ-1 3 |

3

2.25

2 4 в в

Поиший контроллера

Рис. 96. Концентрация N0* в ОГ дизеля К653100Я 1 - нормы выбросов по ГОСТ 50953-96; 2 - результаты измерений на ПЭК; 3 - расчёт по ХК модели Химкинетическая и матстатистическая модели токсичности позволили определить динамику изменения концентраций продуктов неполного сгорания в цилиндре тепловозного ДВС от угла поворота коленчатого вала на разных эксплуатационных режимах (рис. 10 а, 5и в).

б

(СО|,%

1,0 f

0.5:

О " ТТТТТТТТТ

-'60 -30 О ЙО 160

Угол поворота колвнвала, арад до ВМТ

1,0 ] |С„Ну] . %

-ISO -90 0 SO 1SO Уеоп поворота ко/юнвала, врад до ВМТ

в

rN(v |)|lfll

Рис. 10. Зависимость расчетных концентраций токсичных компонентов в цилиндре ДВС от угла п.к.в.: а - концентрации СО; б -концентрации С„Нт; в- концентрации NOx. Данные рисунков 8а и 86 относятся к номинальному режиму дизеля 10Д100, а на рисунке 8в показаны расчетные и экспериментальные концентрации NOx в ОГ дизеля K6S310DR по позициям контроллера. 1 - 8 поз; 2-6 поз; 3-4 поз; 4-2 поз.; — экспериментальные данные ПЭК.

Альтернативные топлива. Программная реализация имитационной математической модели, реализованной в виде AC ENGINE, позволяет осуществлять расчеты рабочих процессов двигателей на различных органических топливах. Из компьютерной базы данных выбирается тип. двигателя и топлива, причем программный продукт позволяет производить оптимизацию по ряду показателей работы ДВС: мощность, удельный расход топлива, коэффициент полезного действия, совокупный показатель вредности выхлопных газов,

химический состав ОГ, эколого-экономический коэффициент (ЭЭК). Осуществляемый в настоящее время поиск экологически чистых топлив на наземном транспорте заставляет различных исследователей искать наиболее перспективные комбинации и новые виды топлив. В диссертационной работе произведена оценка энерго-экологических и экономических характеристик тепловозного дизеля 10Д100 при переводе его на различные альтернативные топлива. Расчеты проводились с использованием программы ENGINE. В качестве исходных значений были взяты паспортные данные на тепловозный дизель 10Д100 при номинальном режиме работы. Химический состав применяемых топлив соответствовал данным ГОСТ на топлива. При расчетах были получены равными: выходная индикаторная мощность, тепловой к.п.д., максимальные температуры и давления индикаторной диаграммы. Как следует из результатов расчетов (табл.3) наиболее перспективными с точки зрения экологической безопасности и возможности применения на железнодорожном транспорте являются метан и водород. Следует также заметить, что применение спиртов значительно улучшает экологические показатели дизеля, однако при этом растут удельные расходы топлива. Возможно их применение как добавок к дизельному топливу, тем более, что при их содержании в топливе до 10 % не требуется изменять конструкцию ДВС. Что касается газообразных топлив, то вне конкуренции находится водород, использование которого на транспорте сопровождено лишь с незначительными выбросами N0*. Однако здесь имеется ряд трудностей, связанных с его чрезвычайной взрывоопасностью и высокой стоимостью получения. Наиболее перспективным газовым топливом для тепловозных ДВС следует признать природный газ, который улучшает практически все экологические показатели за исключением выбросов углеводородов. Кроме этого, значительно снижаются удельные расходы топлива (на 8-10 %).

Таким образом, как показывают предварительные оценки, произведенные для ""чистых" альтернативных топлив представляет дальнейший интерес исследование различных примесей и добавок к нефтяным топливам. Поэтому в настоящей работе также были произведены модельные расчеты тепловозных дизелей, работающих на комбинированных видах топлива. Перевод дизелей тепловозов на ВТЭ, выглядит весьма противоречиво. Как показывают результаты модельных расчетов дизеля 2Д100 на ВТЭ, мощность дизеля уменьшается на номинале на 5,6 %, а удельный расход ВТЭ по сравнению с расходом дизельного топлива возрастает на 4,4 %. При этом собственно экономия дизельного топлива составляет всего 5,6 %, а не 10 %, которые замещаются водой. По экологическим параметрам при уменьшении в ОГ вредных веществ, как СО

Таблица

Эколого-экономичеекие показатели дизеля 10Д100 при его работе на топливах альтернативных дизельному

(номинальный режим работы)

3

Вид топлива Эколого-экономичеекие показатели

Нетоксичные продукты сгорания, выраженные в г/кг Токсичные вещества в выхлопных газах, выраженные в г/кг Дым- ность, % Удельный рааод топлива, г/кВт-ч Эколого-эконом. ко- эфф., уел .г/кВт-ч

СОг НгО Ni Ог СО Сг\Ня\ Щ< Сажа sox 5 ц» д> к

Водород (газ) 0 19,6 70,9 9,5 0 0 34,1 0 0 0 0 92,8 130,1

Метан (газ) 2765 2374 27614 4239 47,4 6,1 63,9 1,7 0,216 0,006 13,2 185,7 513,9

Пропан (газ) 3040 1718 25102 3855 56,8 5,5 105,1 2,15 0,24 0 17,8 204,2 897,5

Биогаз 2083 1421 16566 2548 35,1 3,73 68,7 1,17 0,16 0 14,6 309 902,9

Этанол 1939 1230 14307 2202 32,3 3,23 62,4 1,05 0,14 0 15Д 357,7 947,3

Метанол 1376 1234 10505 1620 20,2 2,46 52,1 0,57 ОД 0 11,1 486,5 1067,8

Бутанол 2425 1225 17603 2707 44,7 3,9 89,25 1,58 0,17 0 18,4 290,9 1100,2

Дизельное топливо 3220 1246 23217 3563 65,3 5,07 103,2 2,66 6,44 0,48 24,5 220,7 1014,6

(на 10,1 %), СН (на б %), N0* (на 25-30 %), БО,, (на 15 %), мы имеем значительный рост содержания сажи (на 30-33 %). Последнее по видимому объясняется тем, что при применении ВТЭ снижаются локальные температуры в камере сгорания и это приводит к меньшему образованию оксидов азота и напротив, к более вялому выгоранию углерода.

Рециркуляция отработавших газов.

При компьютерном моделировании процессов рециркуляции, для дизеля маневрового тепловоза ЧМЭЗ установлено, что на номинальном режиме работы со степенью рециркуляции 10 %, основной положительный эффект заключается лишь в снижении выбросов оксидов азота (в 1,5 раза) и уменьшении в ОГ СО и СН соответственно на 13 % и 10 %. Что касается мощности силовой установки тепловоза, то она снижается на 9 %, ухудшается топливная экономичность машины на 11 % и увеличивается дымность ОГ почти в 2 раза. Тем самым подтверждаются результаты экспериментальных работ, проведенных многими авторами, где утверждается, что данный способ снижения выбросов N0 сопряжен с ухудшением топливной экономичности ДВС. Более перспективно применение рециркуляции на режимах малой нагрузки и на холостом ходу.

Оптимизация параметров топливной аппаратуры.

Одной из причин, вызывающих изменение количества вредных выбросов в ОГ дизелей, является отклонение параметров работы ДВС от нормативных значений, вызванное определенными видами неисправностей. В этом случае необходимы предупредительные меры, в том числе своевременное техническое диагностирование неисправностей работы дизелей тепловозов, использование на реостатных станциях методов безразборной диагностики дизеля по технико-экологическим параметрам и другие способы. Одним из перспективных способов улучшения технико-экономического и экологического состояния дизеля тепловоза является разработанный в диссертации и рекомендуемый для ПЭК и реостатов, запатентованный способ регулирования УОВ топлива ДВС [22] (рис. 11). .В соответствии с ним предлагается на реостатных станциях в депо настраивать параметры топ-ливоподающей аппаратуры дизеля с коррекцией на минимальный расход топлива и с учетом минимального ЭЭК. Эколого-экономический коэффициент (ЭЭК) представляет собой произведение совокупного показателя вредности £ (условных г/кг топл.) на удельный индикаторный расход топлива двигателя внутреннего сгорания д| (кг/кВт • час): ЭЭК = Е- д1 (условных г/ кВт • час).

Совокупный показатель вредности выхлопных газов - приведенный удельный выброс ^(условных г/кг топл.) вычисляется как взвешен-

ная с учетом относительной агрессивности A¡ сумма удельных выбросов e¡ (г/кг топл.) химических компонентов:

Е = IA¡ e¡ = Aafea, + ANOx- eNOx + Aco eco + A,y ^n +■■■ (15)

Использованные в расчетах агрессивности A¡ нормированы по СО (Aco = 1) и составляют соответственно: Асн = 3.16, ANOx = 41.1, ASOx = 22, А/% = 22400, Атч = 41,1 в зависимости от сорта топлива. Агрессивность вещества

есть величина обратная ПДК, т.е. А, ~ ^^ . Таким образом, ЭЭК учитывает технико-экологические и экономические показатели работы ДВС (13). Оценка комплексного влияния изменения УОВ топлива и степени сжатия на технико- экологические характеристики работы тепловозного дизеля была произведена на основе модельных расчетов по дизелям K6S310DR, 10Д100 и 1А-Д49. Теоретический анализ эффективности эксплуатационной работы маневрового тепловоза ЧМЭЗ с дизелем K6S310DR выполнен для шести вариантов настройки дизеля, характеристики которых представлены в табл.4.

Рис. 11. Способ регулирования УОВ топлива ДВС

1-цилиндр ДВС; 2-датчик давления; 3-топливная форсунка; 4-ТНВД; 5-выпускной коллектор; б-сенсоры газоанализатора; 7-блок вычисления совокупного показателя вредности; 8-блок вычисления средне-индикаторного давления; 9-блок сравнения; 10-блок регулировки УОВ

Таблица 4

Сравнительная характеристика вариантов настройки дизеля КББЗЮРЯ

Номер варианта Энерго-экологические и экономические характеристики вариантов настройки дизеля, %

¿1 С N0,, СО Тг /Уинд ЭЭК,%

1(базовый) 100 100 100 100 100 100 100

2 98,39 79,58 68,53 107,75 95,13 101,61 87,67

3 101,55 87,02 91,25 104,34 98,45 98,45 100,38

4 96,21 89,74 78,92 103,27 97,02 103,79 88,69

5 94,52 101,40 92,61 99,42 98,45 105,48 91,92

6 97,38 112,53 108,74 95,84 101,37 102,62 100,94

В таблице приняты следующие обозначения: Ь, - удельный индикаторный расход топлива дизелем тепловоза (г/кВТ'Ч); 1- базовый вариант настройки дизеля КбБЗКЮЯ при е = 13 и угле опережения подачи топлива ср = 24 град.п.к.в.(все показатели приняты за 100%); 2- вариант настройки дизеля КбБЗЮЭЯ при е = 12 и угле опережения подачи топлива Ф = 18 град.п.к.в.; 3- вариант настройки дизеля КбБЗЮОЯ при £= 12 и угле опережения подачи топлива ср = 24 град.п.к.в.; 4- вариант настройки дизеля КбБЗШОЯ при е = 13 и угле опережения подачи топлива ср - 18 град.п.к.в.; 5- вариант настройки дизеля КбЗЗЮОГ* при е = 14 и угле опережения подачи топлива ср - 18 град.п.к.в.; б- вариант настройки дизеля КбБЗЮОК при е - 14 и угле опережения подачи топлива ср = 24 град.п.к.в..; Тг - расчетная максимальная температура горения в камере сгорания дизеля, К; индикаторная мощность дизеля, кВт.

Сравнительная характеристика вариантов настройки показывает, что дизель КбБЗЮО!* при неизменной степени сжатия целесообразно на-стра-ивать на УОВ топлива 18 град, п.к.в., что приводит к значительному сокращению удельного расхода топлива (на 3,79 %), а также к снижению выбросов оксидов азота и сажи. Регулированием УОВ топлива и подбором топливной аппаратуры можно влиять на максимальную температуру сгорания и период задержки воспламенения топлива. При уменьшении угла снижается максимальная температура цикла, что приводит к снижению концентрации окислов азота N0*, правда при этом несколько увеличиваются выбросы окиси углерода СО. На токсичность дизелей также оказывает влияние фазовые характеристики процесса топливоподачи. Так, уменьшение продолжительности впрыска топлива при неизменном угле опережения подачи топлива заметно снижает выбросы дисперсных частиц, однако при этом увеличивается содержание в ОГ СО. Данный метод снижения загрязнения имеет большое практическое значение. Так,

можно установить на дизеле специальную муфту, способную автоматически менять УОВ топлива в зависимости от нагрузки. При этом для создания такой муфты можно использовать запатентованный способ регулирования УОВ топлива, учитывающий не только технико-экономические показатели дизеля, но и его экологические характеристики [22].

Резервом для улучшения технико-экологических показателей тепловозных ДВС является поиск оптимальных сочетаний таких параметров рабочего процесса как степень сжатия е и угол опережения впрыска (УОВ) топлива <р. Результаты расчетов по дизелю тепловоза ЧМЭ 3 на номинальном режиме работы представлены на рис.12 а, б, в, г.

уов

со, об. %

УОВ

УОВ

Рис.12. Изменение энерго-экологических параметров тепловозного дизеля КбБЗЮОР в зависимости от ей УОВ: а- индикаторная мощность, л.е.; 6- эмиссия оксидов углерода; в - эмиссия сажи по шкале Хатриджа, %; г- эколого-экономический коэффициент.

Улучшение качества распыливания топлива.

Использование новых или модернизованных топливных систем, например аккумуляторных топливных систем, электрогидравлических форсунок, систем электронного зажигания также способно улучшить технико-экологические показатели эксплуатируемых тепловозов. Причиной увеличения выбросов сажи является ухудшение качества распыливания топлива дизельными форсунками из-за уменьшения давления топлива в топливной системе, вызванном снижением числа оборотов вала тепловозных дизелей на частичных нагрузках и холостом ходу. В связи с этим были проведены модельные расчеты, оценивающие эффективность использования аккумуляторных топливных систем. Расчеты были произведены для магистральных и маневровых тепловозов.

Как следует из результатов моделирования (рис.13), применение

Рис. 13. Энерго-экологические и экономические показатели работы тепловозов с аккумуляторной системой топливоподачи: ÛNe~ рост эффективной мощности дизеля; ûge- снижение удельных эффективных расходов топлива; АС- снижение выбросов сажи; п- номер позиции контроллера машиниста

улучшенного распыла, приводит к существенному улучшению ряда показателей тепловозного дизеля на холостом ходу и первых четырех позициях контроллера машиниста. Так, мощность дизеля тепловоза по сравнению с паспортными данными увеличивается на 20-30 %, снижаются выбросы сажи в атмосферу на 10 %, удельные расходы топлива сокращаются на 30...50 %, расширяется используемый диапазон рабочих частот вращения в области малых нагрузок, возрастают крутящие моменты и следовательно улучшаются ездовые качества машин. Увеличивается также максимальная температура сгорания топлива на 40-60 К на 2-3 позициях контроллера машиниста. Учитывая, что маневровые тепловозы большую часть времени

эксплуатируются на режимах в мощностном диапазоне 0...0,25 N " , то

значительно улучшаются экономические и экологические параметры силовых установок тепловозов, а также увеличиваются межремонтные сроки пробегов.

ВЫВОДЫ

1. Разработаны детальные математические модели рабочего процесса ДВС (химической кинетики и термохимии), позволяющие производить комплексный анализ энерго-экологических показателей транспортных двигателей. Модели учитывают до 400 химических реакций горения дизельного топлива в камере сгорания ДВС.

2. Созданные модели впервые позволяют осуществлять расчеты во всех эксплуатационных режимах работы дизелей тепловозов для различных видов топлив, с возможностью оптимизации фазовых характеристик процесса горения топлива в камере сгорания дизеля.

3. Математические модели позволяют заменить физическое моделирование на ПЭК при решении ряда важных оптимизационных задач.

4. Компьютерные модели, обладают прогностическими свойствами, позволяют производить расчет рабочего процесса и количества вредных веществ в отработавших газах дизелей тепловозов, основываясь на признанных научных методах исследования.

5. Разработанные модели и компьютерные программы могут быть использованы при корректировке и уточнении нормативов на выбросы вредных веществ тепловозными дизелями.

6. Предложен способ регулирования угла опережения впрыска топлива тепловозного дизеля при проведении реостатных испытаний и на пунктах экологического контроля.

7. Определены критерии, позволяющие объективно оценить степень вредного воздействия дизеля тепловоза на состояние окружающей среды. Представлена уточненная методика расчета СЗЗ предприятий, экс-

плуатирующих тепловозы.

8. Выполнена оценка адекватности разработанных моделей, которая показала близкую сходимость (10-15 %) результатов модельных расчетов с результатами реостатных испытаний и экологического контроля тепловозов в локомотивных депо.

9. Рассчитаны варианты настройки топливной аппаратуры дизелей тепловозов ЧМЭЗ, 2ТЭ10 и 2ТЭ116. Предложена корректировка УОВ топлива по минимуму ЭЭК. Экономический эффект при этом из расчета на один магистральный тепловоз составил 89140 руб. в год.

10. Модельные расчеты, проведенные для дизеля 10Д100, работающего на альтернативных видах топлива показывают, что наиболее перспективным с точки зрения экологической безопасности и возможности применения на железнодорожном транспорте является метаносодержа-щий природный газ.

11. Произведенные расчеты показывают, что при внедрении аккумуляторной топливной системы на маневровом тепловозе ЧМЭ-3 его мощ-ностные и экономические показатели улучшаются на 5-7 %, а выбросы сажи снижаются на 10 %. Так, при уменьшении среднего размера капель топлива в 2-3 раза (за счет применения высокого давления распыла) на холостом ходу и малых нагрузках мощность дизеля тепловоза повышается примерно на 55-75 кВт по сравнению с его паспортными значениями.

12. При моделировании процессов рециркуляции, для дизеля маневрового тепловоза ЧМЭ-3 установлено, что на номинальном режиме со степенью рециркуляции 10 % основной положительный эффект заключается лишь в снижении выбросов оксидов азота - в 1,5 раза, при этом мощность силовой установки тепловоза снижается на 9 %, ухудшается топливная экономичность на 11 %, увеличивается дымность ОГ почти в 2 раза. Доказана перспективность рециркуляции на малых нагрузках и холостом ходу.

13. Проведена систематизация различных методов расчета вредных выбросов дизелей тепловозов. Установлено, что'предлагаемые в работе модели (химической кинетики, термохимии и закалки NO) позволяют определить весь спектр веществ, входящих в состав отработавших газов дизелей тепловозов.

14. Внедрение AC ENGINE в программное обеспечение методики безразборной диагностики дизелей тепловозов по технико-экологическим параметрам на ПЭК позволит не только определить индикаторные показатели на экспуатационных режимах, но и полный химический состав ОГ, показать картину изменения продуктов неполного сгорания по углу поворота вала двигателя без применения дорогостоящего стробоскопического анализа.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

Статьи в изданиях, рекомендуемых Перечнем ВАК РФ

(J>. Булыгин Ю.И. Особенности кинематических расчетов ДВС с комбинированными KI1IM // Изв. вузов. Машиностроение. - 1994. - № 1012.- С. 76-81. ---

<^2, Булыгин Ю.И., Давлетшин Р.Ф., Яценко О.В.//Элементарные химические процессы в ДВС: кинетическое описание//Изв. вузов. Сев.-Кав. регион. Естеств. науки. - 1995. - №4. - С. 44-54. " " "

(3. Булыгин Ю.И., Давлетшин Р.Ф., Яценко О.В.//Математическая модель процесса горения в поршневом ДВС//Изв. вузов. Сев.-Кав. регион. EcnefTB. науки. - 1995. - №4. - С. 19-21. ~

Булыгин Ю.И., Давлетшин Р.Ф., Яценко О.В.//Моделирование энергетических характеристик тепловозного дизеля//Изв. вузов. Сев. Кавк. регион. Естеств. науки. - 1996. - № 1. - С. 29-30.

Ой Булыгин Ю.И., Яценко О.В.//Образование окислов азота при горении моторных топлив: кинетическая схема и константы реакций//Изв. вузов. Сев. Кавк. регион. Естеств. науки. - 1996. - № 2. - С. 35-40.

^¿Лзулыгин Ю.И., Жигулин И.Н., Магнитский Ю.А.// Сравнительный анализ термодинамических циклов ДВС с системами глубокой утилизации теплоты// Изв. вузов. Сев. Кавк. регион. Естеств. науки. - 1996. - № 2. -С. 30-35. -----

(^75 Булыгин Ю.И., Давлетшин Р.Ф., Яценко О.В.//Химические реакции, определяющие кинетику горения в ДВС//Изв. вузов. Сев.-Кав. регион. Естеств. науки. - 1997. - №2. - С. 43-44. —-

Булыгин Ю.И., Ладоша E.H. О возможности комплексной оценки экологичности транспортных двигателей при помощи термохимической модели горения/ Сер. "Проблемы гуманитарных и естественных наук". Вестник ДГТУ. - Ростов-на- Дону. - 2000. - С. 86-89.

Булыгин Ю.И., Жигулин И.Н., Аствацатуров А.Е., Ладоша E.H., Сакаев Э.К., Яценко О.В.//Компьютерная модель термогазодинамики и химических превращений в поршневом двигателе//Изв. вузов. Сев. Кавк. регион. Техн. науки.- 2001. - № 1. - С. 75-83.

10. Булыгин^Ю.И., Магнитский Ю.А., Ладоша E.H., Деундяк Д.В. О возможности комплексной оценки экологичности транспортных двигателей при помощи термохимической модели горения // Вестник РГУ ПС. Ростов-на-Дону. - 2001.\№ 2.. - С. 148-151.

__li. Булыгин Ю.И. Компьютерное моделирование рабочего процесса в ДВС // Изв. вузов. Машиностроение.- 2001. - № б. - С. 31-48.

(VT?) Булыгин Ю.И., Магнитский Ю.А. Исследование выбросов вредных веществ в атмосферный воздух тепловозными дизелями при частичных нагрузках // Изв. вузов. Машиностроение. - 2003. - № 10. - С. 38-46.

ШуБулыгин КЗГЙ., Сакаев Э.К., Бомштейн Л.Г., Чичин A.B., Чичин В.А. О ейнитарно-защитных зонах предприятий, эксплуатирующих тепловозы // Локомотив. - 2003. - № 8. - С. 35-36.

^Й) Булыгин Ю.И.//Моделирование внутрицилиндровых процессов транспортных двигателей с целью повышения их экономичности и эколо-гичносги//Изв. вузов. Сев.-Кав. регион. Естеств. науки. Приложение. -2005. - №12. - С. 52-60.

\ 15. Булыгин Ю.И. // Результаты компьютерного моделирования рабочего процесса тепловозных дизелей и их использование в практике // Вестни^РГУ ПС. Ростов-на-Дону. - 2005. - № 4. - С. 41-47.

ríST) Булыгин Ю.И. Ц Результаты компьютерного моделирования рабочего процесса ДВС и их использование на практике // Изв. вузов. Сев. Кавк. регион. Техн. науки. - 2006. - № 2. - С.77-81.

17. Булыгин Ю.И., Ладоша E.H. Интегральная компьютерная модель для расчетов экономичности и экологичности тепловых двигателей, работающих на нефтяных, дизельных маслах, спиртах и газообразных топливах // Новые технЬлогии управления движением технических объектов: Материалы 3-й Междунар. науч.-технич. конф. том 1. - Ростов-на-Дону: СКНЦ ВШ, 2000. - С. 14-17

18. Булыгин Ю.И., Дзреев Я.В., Дзреев A.B. Компьютерное моделирование процесса горениЧл» ДВС применительно к использованию альтернативных топлив // Математические методы в технике и технологиях: Сб. тр. XVI Междунар. науч. кежф. В 10 т. Т. 4. Секции 4,6 / Под общ. ред. B.C. Балакирева. - Ростов-на-Дону* РГАСХМ ГОУ, 2003.- С. 144-147.

Патенты, интеллектуальные продукты, программы для

ЭВМ

19. А.с. № 1763931 СССР. Устройство для регистрации кривой тепловыделения в цилиндре ДВС/ Магнитский Ю.А., Булыгин Ю.И., Черников В.В., Стрельников C.B. Приоритет от 22.05.92. - Опубликовано в Б.И. 23.09.92, Бюл. № 35. G01 M 15/00.

20. A.c. № 1815607 СССР. Устройство для регистрации кривой тепловыделения в цилиндре ДВС/ Магнитский Ю.А., Булыгин Ю.И., Черников В.В., Стрельников C.B. Приоритет от 11.10.92. - Опубликовано в Б.И. 15.05.93, Бюл. № 18. G01 M 15/00.

21. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2002610605 РФ. Расчет энерго-экологических параметров ДВС "Е^ШЕ"/Булыгин Ю.И., Яценко О.В., Жигулин И.Н., Ладоша E.H. Приоритет от 11.03.2002.- Опубликовано в Б.П.2002, Бюл. № 3.

22. Патент № 2215897 РФ. Способ регулирования угла опережения впрыска топлива в ДВС/Булыгин Ю.И., Аствацатуров А.Е., Яценко О.В., Магнитский Ю.А., Сакаев Э.К. Приоритет 16.07.01.- Опубликовано в Б.И. 10.11.2003, Бюл. № 31. С2 Кл.7 F 02 M 65/00, G 01 M 15/00.

23. Патент № 2258917 РФ. Устройство преобразователя движения поршня в цилиндре поршневой машины/Булыгин Ю.И., Магнитский Ю.А. Приоритет 16.07.01.- Опубликовано в Б.И. 20.08.2005, Бюл. № 23 (2-я часть) С2 Кл.7 F 02 M 65/00, G 01 M 15/00.

Монографии и статьи

24. Булыгин Ю.И., Жигулин И.Н., Магнитский Ю.А., Яценко О.В. Математическое моделирование рабочего процесса поршневых машин. -Ростов - на- Дону: РГУ ПС, 2001. - 208 с.

25. Булыгин Ю.И., Магнитский Ю.А., Черников В.В. Практические приложения кинематических и динамических расчетов поршневых машин. - Ростов-на-Дону: РГУ ПС, 2006. - 96 с.

26. Булыгин Ю.И., Калинов A.B. Исследование систем автоматического регулирования момента впрыска топлива // Вопросы теплоэнергетики и криогенной техники на железнодорожном транспорте: Межвуз. темат. сб. науч. тр.- Ростов-на-Дону: РИИЖТ, 1988.- С. 80-83.

27. Булыгин Ю.И., Мартынюк И.В., Флегонтов Н.С., Финоченко В.А. О результатах предварительных теплотехнических испытаний криогенного тепловозного газификатора // Актуальные проблемы железнодорожного транспорта: Межвуз. темат. сб. науч. тр. 4.2. - Ростов-на-Дону: РГУ ПС, 1995. - С. 83-86.

28. Булыгин Ю.И. Особенности кинематических расчетов ДВС с комбинированными механизмами // Актуальные проблемы железнодорожного транспорта: Межвуз. темат. сб. науч. тр. 4.2. - Ростов-на-Дону: РГУ ПС, 1995. - С. 167-169.

29. Булыгин Ю.И., Васильченко К.Е., Гительсон A.B., Давлетшин Р.Ф., Яценко О.В. Автоматизированная система расчета транспортных двигателей // Экология и безопасность: Межвуз. сб. науч. тр. - Ростов-на-Дону: РГУ ПС, 1998. - С. 3-7.

30. Булыгин Ю.И., Давлетшин P.A., Магнитский Ю.А. и др. Автоматизация расчетов экономичности экологичности транспортных силовых установок -// Современные проблемы энергетики: Межвуз. сб. научн. тр. - Ростов - на- Дону: РГУ ПС, 1998. - С. 86-89.

31. Булыгин Ю.И., Деундяк Д.В., Ладоша E.H., Яценко О.В. Термохимическая модель образования токсичных веществ при работе транспортных двигателей // Математические и статистические методы в экономике и естествознании: Материалы межвузовских научных чтений. -Ростов-на-Дону: Рост. гос. эконом, универ., 2000. - С. 154-156,

32. Булыгин Ю.И., Омарова К.И., Беркова Л.Г. Использование компьютерного моделирования при определении энерго-эколргических показателей транспортных средств на альтернативных топливах // Экология, технология и оборудование: В 2-х ч. Ч. II: Сб. науч. трудов/ Донской гос. ун-т. Ростов-на-Дону: ДГТУ, 2003. С. 13-16.

33. Булыгин Ю.И., Ткаченко П.К., Омарова К.И., Деундяк Д.В. Современные подходы к экоконсгруированию двигателей внутреннего сгорания И Актуальные проблемы экологии: т. 3 № 3: Сб. науч. трудов,-Томск: Сибирский гос. мед. Университет (СГМУ), 2004. - С. 443-446.

Материалы конференций

34. Булыгин Ю.И., Магнитский Ю.А., Черников В.В. Определение границ процесса подвода теплоты в цилиндре транспортного дизеля // Методы и средства диагностики технических средств ж.-д. транспорта: Материалы всесоюзн. науч.-техн. конференции. - Омск: ОмИИТ, 1989. -С. 147-148.

35. Булыгин Ю.И. Оптимизация преобразователя хода поршня в системе контроля внутрицилиндровых параметров ДВС // Актуальные проблемы развития ДВС и дизельных установок: Материалы всесоюзн. науч.-техн. конференции. - Ленинград: .1990. - С. 207-208.

36. Булыгин Ю.И., Давлетшин Р.Ф., Яценко О.В., Гительсон A.B. "Мотор"- автоматизированная система расчета энергетических и экологических характеристик транспортных двигателей // Энергетика, экология, безопасность: Сб. тез. докл междунар. научно-практич. конф. -Ростов-на-Дону: РГУПС, 1997. С. 56-57.

37. Булыгин Ю.И., Аствацатуров А.Е., Яценко О.В., Петинова М.П. Компьютерный лабораторный практикум для технического университета // Приоритетные направления развития высшего технического образования в 21-ом веке: Материалы научно-методической конференции вузов Северного Кавказа. - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2000. - С.7-9.

38. Булыгин Ю.И., Деундяк Д.В. Перспективы использования компьютерного моделирования при оценке энерго-экологических показателей ДВС на альтернативных топливах // Доклады межрегиональной научно-практической конференции Жилищно-коммунальное хозяйство и энергетика в 21 веке и семинара Энергоресурсосбережение в жилищно-коммунальном хозяйстве Ростовской области. - Ростов-на-Дону: РГУ ПС, 2003.-С. 69-72.

39. Булыгин Ю.И. , Бомштейн Л.Г. О размерах санитарно-защитных зон предприятий, эксплуатирующих маневровые и магистральные тепловозы // Доклады межрегиональной научно-практической конференции Жилищно-коммунальное хозяйство и энергетика в 21 веке и семинара Энергоресурсосбережение в жилищно-коммунальном хозяйстве Ростовской области. - Ростов-на-Дону: РГУ ПС, 2003. - С. 120-125.

Булыгин Юрий Игоревич Основы моделирования внутрицилиндровых процессов и токсичности дизелей тепловозов 05.04.02 - Тепловые двигатели

В набор 12. ОЗ. 06. в печать 09.

Объем #усл.п.л., «у буч.-изд.л. Офсет. Формат 60x84/16.

Бумага тип №3. Заказ Тираж iûû. \

Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия: 344010, г.Ростов-на-Дону, пл.ГагаринаД.

/

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭКОНОМИЧНОСТИ

И ЭКОЛОГИЧНОСТИ ДИЗЕЛЕЙ ТЕПЛОВОЗОВ.

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

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

1.2.1. Совершенствование рабочего процесса двигателя.

1.2.2. Применение новых перспективных конструкций и схем работы ДВС.

1.2.3. Регулирование углов опережения впрыска топлива.

1.2.4. Использование новых или модернизованных топливных систем.

1.2.5. Использование альтернативных и комбинированных видов топ лив.

1.2.6. Применение рециркуляции отработавших газов.

1.2.7. Охлаждение свежего заряда и дросселирование на впуске дизеля.

1.2.8. Системы нейтрализации и очистки отработавших газов дизелей тепловозов.

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

1.3.1. Экологический контроль дизелей тепловозов.

1.3.2. Методика безразборной диагностики и регулировки

ПОР —---------------------------------------------------—

1.4 Роль углубленного моделирования внутри цилиндровых процессов дизелей локомотивов.

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

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

ГЛАВА II ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ

МОДЕЛИРОВАНИЯ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА И ТОКСИЧНОСТИ ДВС.

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

2.2. Описание моделей рабочих процессов в цилиндре ДВС.

2.2.1. Газодинамические модели в цилиндре.

2.2.2. Модели теплообмена в двигателе.

2.2.3. Модели процесса сгорания в двигателях.

2.3. Модели образования вредных веществ в ДВС.

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

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

2.3.3. Методы расчета концентраций оксидов азота в поршневых

ДВС на основе одно- и многозонных моделей.

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

2.3.5. Многозонная модель образования NOx МГТУ им. Баумана.

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

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

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

ГЛАВА III УГЛУБЛЕННЫЕ МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ

ПРОЦЕССА СГОРАНИЯ И ТОКСИЧНОСТИ ДВС.

3.1. Математическая модель химической кинетики: общие положения.

3.2. Математическая модель турбулентности.

3.3. Математическая модель испарения топливных капель.

3.4. Некоторые частные математические модели рабочих процессов.

3.5. Элементарные химические процессы в поршневых

ДВС (кинетическое описание).

3.5.1. Требования к кинетической схеме химических превращений

3.5.2. Принципы отбора кинетических данных.

3.5.3. Получение недостающей кинетической информации.

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

3.5.5. Химические реакции, определяющие кинетику горения в дизеле.

3.5.6. Специфика химизма горения в дизелях.

3.6. Полуэмпирическая квазигазодинамическая модель.

3.7. Статическая термодинамическая и термохимическая модели

3.8. Модель закаливания оксидов азота в камере сгорания.

3.8.1. Кинетика образования оксида азота по Я.Б.Зельдовичу, модифицированная для учета гибели NO.

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

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.

4.1. Практическая ценность и результаты апробации каркасной модели.

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

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

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

4.2.3. Модель горения, сдерживаемого процессом смесеобразования.

4.2.4. Модель термохимии.

4.2.5. Моделирование энергетических показателей ДВС.

4.2.6. Моделирование экологических показателей.

4.3. Программная реализация моделей рабочего процесса.

4.3.1 Программная реализация матстатистических моделей токсичности.

ГЛАВА V ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ИХ СРАВНЕНИЕ С ДАННЫМИ ФИЗИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ, ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ОТ РЕГУЛИРОВАНИЯ

УОВ ТОПЛИВА.

5.1. Тестирование и апробация автоматизированной системы

ENGINE.

5.1.1. Проверка адекватности моделей по техническим параметрам

С 1 О Ппоказателям работы ДВС.

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

5.2. Результаты компьютерных экспериментов.

5.2.1. Оптимизация угла опережения впрыска топлива дизеля.

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

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

5.2.4. Перспективность применения аккумуляторных топливных систем для тепловозов.

5.2.5. Исследование эффективности рециркуляции отработавших газов ДВС тепловозов.

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

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

ВЫВОДЫ.

Актуальность темы. В основных направлениях охраны окружающейсреды и рационального использования природных ресурсов в России на периоддо 2010 года в разделе научных исследований отмечено, что необходимопредусмотреть использование экологически безопасных видов топлива(альтернативных нефтяным), а также создать высокоэффективные системы дляпредотвращения выбросов вредных веществ с отработавшими газами (ОГ)двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Программа ОАО РЖД "Создания иосвоения производства новых локомотивов в 2004-2010 г.г." такжепредусматривает ужесточение технических требований к тепловозам, в частисоблюдения действующих стандартов по экологии. Естественно, что решениестоль серьезных задач невозможно без использования современных способов исредств математического моделирования внутрицилиндровых процессов ДВС. Среди его разновидностей особо широкое распространение получилоимитационное математическое моделирование (PIMM), которое в значительнойстепени сопряжено с использованием ЭВМ. Работа посвящена разработке современных методов математическогомоделирования применительно к исследованию внутрицилиндровых процессовв ДВС. Представленные имитационные математические и компьютерныемодели (ИММ) процесса горения в двигателях, в том числе химическойкинетики, термохимии и квазигазодинамики направлены на решение задачоптимизации энерго-экологических показателей работы тепловозныхдвигателей. Подробно описаны методики расчета и их программная реализация,адаптированная под конкретные инженерно-исследовательские цели.Актуальность разработанных моделей подтверждается необходимостьюсократить сроки проектирования и стоимость разработки новых конструкцийДВС, а также возможностью решать сложные оптимизационные задачи приконструировании перспективных двигателей и модернизации существующих.18моделей и разработанных компьютерных программ для целей техническойдиагностики тепловозных дизелей на реостатных станциях и пунктахэкологического контроля (ПЭК) дизельной техники железнодорожноготранспорта. Работа выполнялась при финансовой поддержке МинобразованияРоссии по гранту "Российские университеты" в 2001-2002 гг. по теме:"Разработка теоретико-методических основ повышения экологических иэкономических характеристик наземного транспорта с целью снижениявоздействия вредных выбросов в атмосферу современного мегаполиса".Научная новизна. Разработаны углубленные математические моделирасчета рабочего процесса ДВС (химической кинетики и термохимическая),позволяющие производить комплексный анализ энерго-экологическихпоказателей транспортных двигателей; создан компьютерный продукт,позволяющий осуществлять расчеты во всех эксплуатационных режимахработы тепловозов для различных видов топлив, с возможностью оптимизациифазовых характеристик процесса топливоподачи; предложен способрегулирования угла опережения впрыска (УОВ) топлива тепловозного дизеляпри проведении реостатных испытаний и на пунктах экологического контроля;уточнены и выбраны критерии, позволяющие оценить степень вредноговоздействия тепловоза на состояние окружающей среды; предложены методы испособы оценки степени улучшения технико-экологических показателейработы дизелей тепловозов.Объектом исследования является теплосиловая установка тепловоза,включающая в себя ДВС. Предметом исследования являютсявнутрицилиндровые процессы и процессы образования токсичных веществДВС. Методы исследования. Для выполнения работы применялись,разработанные компьютерные модели, обобщающие произведенные ранееисследования и учитывающие до 400 химических реакций горения в камересгорания ДВС, также использовались методы математической статистики иобработки натурных испытаний тепловозов. Идентификация разработанных19o r дизелей тепловозов производилась на основе обширного эмпирическогоматериала, полученного при испытаниях тепловозов автором и другимиисследователями.Целью исследования является повышение экономичности иэкологичности дизелей тепловозов путем использования углубленныхкомплексных математических моделей рабочего процесса, обладающихпрогностическими свойствами и способных корректно определять энергоэкологические и экономические показатели тепловозных дизелей.Задачи исследования. В связи с указанной целью поставлены следующиеосновные задачи:- систематизировать и провести анализ эффективности различныхметодов и способов повышения экономичности и экологичности дизелейтепловозов;доказать перспективность использования компьютерногомоделирования для достижения целей и задач, поставленных вдиссертационной работе;- провести обзор и анализ современного состояния в областимоделирования рабочих процессов ДВС и моделей образования вредныхвеществ;- разработать детальные химкинетические модели горения топлива вкамере сгорания ДВС, а также термохимическую модель, позволяющуюоценивать состав и количество вредных веществ при сгорании топливальтернативных нефтяным;- разработать компьютерные модели (программные продукты),имитирующие внутрицилиндровые процессы, протекающие в тепловозномдизеле с целью дальнейшего их внедрения на ПЭК и реостатных станцияхлокомотивных депо в качестве аналитических средств оценки техникоэкологических показателей работы тепловозных ДВС;- использовать созданные компьютерные программы, обладающие20повышению эффективности и экологичности дизелей тепловозов.Достоверность исследований доказана применением фундаментальныхфизико-химических закономерностей при исследовании процесса сгораниятоплива, а также путем сравнительного анализа результатов расчетов сданными реостатных испытаний и экологического контроля тепловозов.Погрешность моделирования энерго-экологических характеристик тепловозныхдвигателей, полученная при сравнении результатов теоретических расчетов поразработанным моделям с данными технических экспериментов не превышает5-10%.На защиту выносятся следующие положения:1 .Детальная химкинетическая модель процесса сгорания углеводородноготоплива в цилиндре дизеля.2.Термохимическая модель рабочего процесса и образования продуктовсгорания д в е .3.Квазигазодинамическая модель рабочего процесса двигателя.4.Матстатистическая модель закаливания оксидов азота в камересгорания двигателя.5.Автоматизированная система ENGINE расчета энерго-экологическихпараметров ДВС.б.Метод регулирования УОВ топлива двигателя по оптимальнымэколого-экономическим показателям.7.Методика расчета санитарно-защитных зон предприятий,эксплуатирующих тепловозы.8. Методика регулирования двигателя по технико-экологическимпоказателям с использованием метода отключения одного из цилиндров.Практическая ценность и область применения результатовисследования.1. Разработаны компьютерные программы для реализации моделей,основанных на современных физико-химических представлениях о рабочем21энерго-экологических и экономических показателей работы двигателей прииспытаниях тепловозов.2. Разработана автоматизированная система (АС) расчета тепловыхдвигателей, по энергетическим и экологическим показателям, которая можетбыть использована не только на двигателестроительных заводах припроектировании конструкций тепловых мащин, но также во времяэксплуатационных испытаний известных конструкций в целях диагностикитепловозных дизелей.3. Предложен способ регулирования оптимального УОВ топлива,позволяющий определять влияние всего спектра вредных веществ наэкологические и мощностные показатели двигателя и обеспечивающийснижение токсичности выбросов ДВС во всем диапазоне нагрузок.4. По результатам численных экспериментов при моделировании и наоснове статистических данных о натурных испытаниях тепловозных дизелейданы рекомендации по возможности и эффективности применения натранспортных средствах альтернативных и комбинированных видов топлив,определены оптимальные составы комбинированных топлив и степенирециркуляции ОГ, обеспечивающие снижение токсичности тепловозов.5. По результатам модельных расчетов сделаны выводы оперспективности использования аккумуляторных топливных систем наманевровых тепловозах.6. Доказана эффективность работы тепловозных дизелей прирегулировании степени сжатия, УОВ топлива и продолжительности подачи,предложены варианты настройки топливной аппаратуры для дизелейтепловозов 10Д100, 2ТЭ116 и ЧМЭЗ, обеспечивающие снижение удельныхрасходов топлива и количества вредных веществ в ОГ.

7. Предложена методика оценки степени воздействия тепловозов наокружающую среду, предусматривающая расчет количества вредных выбросовот дизелей тепловозов и их рассеивание в атмосфере, определены размеры22санитарно-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 "Новыетехнологии управления движением технических объектов" СКНЦ ВШ(г. Новочеркасск, 2000г.);- заседаниях кафедры "Двигатели внутреннего сгорания" (г.Новочеркасск, ЮРГТУ, 2000г., 2006г.);- XVI-ой Международной научной конференции "Математическиеметоды в технике и технологиях" (г. Ростов-на-Дону, РГАСХМ ГОУ, 2003г.);- 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 "Безопасностьжизнедеятельности и защита окружающей среды" ДГТУ, "Теплоэнергетика нажелезнодорожном транспорте" РГУ ПС, "Сельскохозяйственные машины иоборудование 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 иаспирантов (г. Ростов-на-Дону, ДГТУ, 2006г);- заседании кафедры "Локомотивы" СамГАПС (г. Самара, 2006 г.);- Научно-техническом совете ФГУП ВНИКТИ (г. Коломна, Московская23Публикации. По материалам диссертации опубликовано 39 печатныхработ, в том числе 2 монофафии, получены два патента на изобретения, дваавторских свидетельства и авторское право на программный продукт.Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит извведения, пяти глав, выводов, списка использованных литературныхисточников. Материал диссертации содержит 328 страниц машинописноготекста, 29 таблиц, 58 рисунков, список библиографических источников из 187наименований. Отдельное приложение на 220 страницах.В первой главе всесторонне проанализированы различные методы испособы повышения экономичности и экологичности дизелей подвижногосостава железных дорог. Из имеющихся методов особо выделяется наиболеедейственный способ борьбы с выбросами вредных веществ - в самом источникеих возникновения, т.е. непосредственно в камере сгорания тепловозного дизеля.При этом делается вывод о перспективности использования математического икомпьютерного моделирования для решения различных задач оптимизациирабочего процесса ДВС по технико-экологическим показателям.Во второй главе выполнен подробный литературный обзор и анализиспользуемых в России и мире научных подходов к моделированию рабочегопроцесса в ДВС. Описаны газодинамические модели в цилиндре ДВС, моделитеплообмена, сгорания в двигателях, образования вредных веществ, а такжепрограммные продукты, моделирующие рабочий процесс в ДВС. По результатам этого анализа сформулированы исходные требования кинженерным компьютерным моделям горения и обозначены перспективы ихиспользования, в том числе для экологических целей и в техникоматематическом эксперименте. В результате сопоставления достоинств инедостатков имеющихся методов моделирования с учетом, имеющихсятеоретико-методических заделов, разработаны требования к созданиюсовременных математических и компьютерных моделей, адекватноописывающих реальные внутрицилиндровые процессы в дизеле.24и термохимии и позволяют определять весь спектр энергетических,экономических и экологических характеристик тепловых двигателей наразличных эксплуатационных режимах работы дизелей тепловозов.В третьей главе диссертационной работы представлены разработанныеуглубленные математические модели рабочего процесса в ДВС. При созданиимоделей было уделено более серьезное внимание рассмотрению процессовгорения в камере сгорания двигателя с позиций неравновесной химическойкинетики. В детальной химкинетической модели учитываются до 400химических реакций горения углеводородного топлива. Представленоподробное описание кинетической схемы горения. Рассмотрены также моделитурбулентности, испарения топливных капель в камере сгорания тепловозногодизеля и полуэмпирическая квазигазодинамическая модель. Описаныстатическая термодинамическая и термохимическая модели. Представленаразработанная модель образования и гибели оксидов азота в камере сгораниядизеля, учитывающая их "закаливания" в камере сгорания (КС) ДВС. Описанный в диссертации алгоритм инициализации ИММ образования окисловазота в ДВС представляет собой метод каскадной (двухэтапной) факторизации.При реализации данного метода на основе обширного эмпирическогоматериала по выбросам модель идентифицировалась.Четвертая глава целиком посвящена компьютерным моделям рабочегопроцесса в ДВС, требующим для своей реализации ЭВМ. В частности,подробно описана иерархия моделей этого сорта, сконструированных как дляцелей технической диагностики и оптимизации рабочего процесса двигателя,так и для исследовательских нужд в области транспортной экологии. Описанысвойства этих моделей и области применения. Кроме того, показанавозможность использования программных продуктов, реализующихматематические модели расчета рабочего процесса в ДВС в системахавтоматизированного проектирования тепловых двигателей и при исследованииновых конструкций дизелей, а также в целях технической диагностики25Практические результаты компьютерного моделирования и их сравнение сданными физических экспериментов и результатами, полученными по другиммоделям, составляют предмет пятой главы. Произведена проверка адекватностимоделей по технико-экологическим показателям, которая подтвердила высокуюэффективность произведенных расчетов (погрешность 5-10 %). Описаныполученные расчетным путем результаты, представляющие собой как чистонаучный, так и прикладной интерес. Намечены направления практическиориентированных исследований энерго-экологических характеристиктепловозных дизелей посредством численных экспериментов на ПЭВМ. Преждевсего, рассматривается вопрос возможности внедрения разработанной АСENGINE в программное обеспечение Методики безразборной диагностикидизелей тепловозов по технико-экологическим параметрам на реостатныхстанциях и ПЭК. В пятой главе диссертации рассматриваются вопросы, связанные с:- оптимальной настройкой топливной аппаратуры тепловозного дизеля;- применением на транспорте альтернативных и комбинированных видовтоплива;- 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 реостатныхстанциях и ПЭК способа регулирования УОВ топлива по минимуму экологоэкономического коэффициента (ЭЭК).В заключении намечены перспективы использования разработанныхпрограммных продуктов для исследовательских целей и сформулированывыводы.Результаты расчетов СЗЗ локомотивных депо, эксплуатирующихтепловозы, протоколы испытаний дизелей тепловозов, приборное обеспечение.26схемы горения углеводородного топлива, результаты компьютерногомоделирования и их сравнение с данными физических экспериментов, а такжедокументы, подтверждающие использование и внедрение разработанных ППсодержатся в отдельно выполненном Приложении (том 2) к диссертации.

ВЫВОДЫ

1. Разработаны детальные математические модели рабочего процесса ДВС (химической кинетики и термохимии), позволяющие производить комплексный анализ энерго-экологических показателей транспортных двигателей. Модели учитывают до 400 химических реакций горения дизельного топлива в камере сгорания ДВС.

2. Созданные модели впервые позволяют осуществлять расчеты во всех эксплуатационных режимах работы дизелей тепловозов для различных видов топлив, с возможностью оптимизации фазовых характеристик процесса горения топлива в камере сгорания дизеля.

3. Математические модели позволяют заменить физическое моделирование на ПЭК при решении ряда важных оптимизационных задач.

4. Компьютерные модели, обладают прогностическими свойствами, позволяют производить расчет рабочего процесса и количества вредных веществ в отработавших газах дизелей тепловозов, основываясь на признанных научных методах исследования.

5. Разработанные модели и компьютерные программы могут быть использованы при корректировке и уточнении нормативов на выбросы вредных веществ тепловозными дизелями.

6. Предложен способ регулирования угла опережения впрыска топлива тепловозного дизеля при проведении реостатных испытаний и на пунктах экологического контроля.

7. Определены критерии, позволяющие объективно оценить степень вредного воздействия дизеля тепловоза на состояние окружающей среды. Представлена уточненная методика расчета СЗЗ предприятий, эксплуатирующих тепловозы.

8. Выполнена оценка адекватности разработанных моделей, которая показала близкую сходимость (10-15 %) результатов модельных расчетов с результатами реостатных испытаний и экологического контроля тепловозов в локомотивных депо.

9. Рассчитаны варианты настройки топливной аппаратуры дизелей тепловозов ЧМЭЗ, 2ТЭ10 и 2ТЭ116. Предложена корректировка УОВ

ТППГТИИЯ ПП MMHMVIVMV ЪЪК ^mumimio^v.in --.ЛЛ,,-.,™ ----------------------один магистральный тепловоз составил 89140 руб. в год.

10. Модельные расчеты, проведенные для дизеля 1 ОД 100, работающего на альтернативных видах топлива показывают, что наиболее перспективным с точки зрения экологической безопасности и возможности применения на железнодорожном транспорте является метаносодержащий природный газ.

11. Произведенные расчеты показывают, что при внедрении аккумуляторной топливной системы на маневровом тепловозе ЧМЭ-3 его мощностные и экономические показатели улучшаются на 5-7 %, а выбросы сажи снижаются на 10 %. Так, при уменьшении среднего размера капель топлива в 2-3 раза (за счет применения высокого давления распыла) на холостом ходу и малых нагрузках мощность дизеля тепловоза повышается примерно на 55-75 кВт по сравнению с его паспортными значениями.

12. При моделировании процессов рециркуляции, для дизеля маневрового тепловоза ЧМЭ-3 установлено, что на номинальном режиме со степенью рециркуляции 10 % основной положительный эффект заключается лишь в снижении выбросов оксидов азота - в 1,5 раза, при этом мощность силовой установки тепловоза снижается на 9 %, ухудшается топливная экономичность на 11 %, увеличивается дымность ОГ почти в 2 раза. Доказана перспективность рециркуляции на малых нагрузках и холостом ходу.

13. Проведена систематизация различных методов расчета вредных выбросов дизелей тепловозов. Установлено, что предлагаемые в работе модели (химической кинетики, термохимии и закалки NO) позволяют определить весь спектр веществ, входящих в состав отработавших газов дизелей тепловозов.

14. Внедрение AC ENGINE в программное обеспечение методики безразборной диагностики дизелей тепловозов по технико-экологическим параметрам на ПЭК позволит не только определить индикаторные показатели на экспуатационных режимах, но и полный химический состав ОГ, показать картину изменения продуктов неполного сгорания по углу поворота вала двигателя без применения дорогостоящего стробоскопического анализа.

1. Булыгин Ю.И., Сакаев Э.К., Бомштейн Л.Г., Чичин А.В., Чичин В.А. О санитарно-защитных зонах предприятий, эксплуатирующих тепловозы // Локомотив.2003. № 8. С. 35-36.

2. Санитарно-защитные зоны и санитарная классификация предприятий, сооружений и иных объектов // СанПиН 2.2.1/2.1.1.984-00. М.: Инф.- изд. центр Минздрава России, 2001.

3. Федеральный закон "Об охране атмосферного воздуха" № 96 от 04.05.99.

4. Постановление Правительства России № 83 от 06.02.2003.

5. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ (ВВ), содержащихся в выбросах предприятий. ОНД-86. Госкомгидромет СССР, 1987.

6. Методика определения массы выбросов загрязняющих веществ от тепловозов в атмосферу. РД 32.94 97.

7. Сорока А.И., Тетельбаум А.Н. ПДВ вредных веществ для дизельного подвижного состава // Экология и промышленность России. 2001.- № 6. - с. 13-14.

8. ГОСТ Р 50953-96 "Выбросы вредных веществ и дымность отработавших газов магистральных и маневровых тепловозов. Нормы и методы определения".

9. Иванченко Н.Н., Семенов Б.Н., Соколов B.C. Рабочий процесс дизелей с камерой в поршне. JL: Изд-во Машиностроение, 1972.

10. Кулешов А.С., Грехов JI.B. Математическое моделирование и компьютерная оптимизация топливоподачи и рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания.- М.: МГТУ, 2000,- 64 с.

11. Давлетшин Р.Ф., Яценко О.В. // Моделирование процессов управления и обработки информации. М., 1993.

12. Магнитский Я.Ю. Повышение экономичности тепловозов включением в секцию нескольких дизелей разной мощности. Автореферат канд диссертации., Ростов-на-Дону, 2002.

13. Булыгин Ю.И., Жигулин И.Н., Магнитский Ю.А.// Сравнительный анализ термодинамических циклов ДВС с системами глубокой утилизации теплоты// Изв. вузов. Сев. Кавк. регион. Естеств. науки. 1996. № 2. С. 30-35.

14. В.Г. Булаев. Снижение токсичности тепловозных дизелей.-Железнодорожный транспорт.- М.-1993.- №10.- С. 45-48.

15. Анисимов А.С., Сковородников Е.И. Влияние угла опережения подачи топлива на экологические характеристики дизеля 1 ОД 100. Сборник научн. тр. "Надежность и экономичность дизельного состава"./ Омская гос. акад. путей сообщения. Омск, 1997.

16. Автоматизация расчетов экономичности экологичности транспортных силовых установок / Ю.И. Булыгин, Р.А. Давлетшин, Ю.А. Магнитский и др. / Межвуз. сб.: Современные проблемы энергетики. Ростов - на- Дону: Изд. РГУ ПС, 1998.-с. 86-89.

17. Булыгин Ю.И. Компьютерное моделирование рабочего процесса в ДВС // Изв. вузов. Машиностроение. 2001,- № 6. - с. 31-48.

18. В.Г. Булаев, Ю.М. Козлов, Е.М. Тарасов Антитоксичное устройство для маневровых тепловозов.- Железнодорожный транспорт.- М.-1998.- №2.- С. 2833.

19. Пат. № 2023479 РФ, МКИ3 В 01D 46/00. Устройство для очистки газов / К.Б. Комиссаров, В.А. Финоченко, В.Д. Карминский, А.Э. Моисеенко, М.К. Комиссаров. Опубл. 30.11.94, Бюл. №22.-3 с.

20. А.с. 953250 (СССР) Муфта для изменения угла опережения впрыска топлива / А.В. Калинов, В.Д. Карминский, А.В. Голованов и др. Опубл. В Б.И., 1982, №31.

21. Системы управления дизельными двигателями. Перевод с немецкого. С40 Первое русское издание. М.: ЗАО "КЖИ За рулем", 2004. - 480 е.: ил.

22. Современные подходы к созданию дизелей для легковых автомобилей и малотоннажных грузовиков / А.Д. Блинов, П.А. Голубев , Ю.Е. Драган и др. Под ред. B.C. Папонова и A.M. Минеева. М.: НИЦ "Инженер", 2000. 322 с.

23. Никитин Е.А., Пинский Ф.И. Исследования дизель-генератора типа 8ЧН 26/26 с электрогидравлической системой топливоподачи и электронным управлением // Двигателестроение. 1979. № 10. С. 18-20.

24. Свиридов Ю.Б. Принципы построения обобщенной теории сгорания в дизелях. Двигателестроение. 1980, № 9; № 11.

25. Дизели. Справочник. JI. Машиностроение, под редакцией Ваншейдта, 1977, 480 с.

26. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей под редакцией А.С. Орлина, М.Г. Круглова и др. М.: Машиностроение, 1983, 372 с.

27. Магнитский Ю.А., Карминский В.Д. Оперативная оценка экономической эффективности способа подвода теплоты в ДВС. Двигателестроение. 1980, № 8.

28. Сиригнано В.А. Построение моделей горения в факеле: разрешение линейных масштабов меньше расстояния между каплями // Тр. Амер. о-ва инженеров-механиков. Сер. Теплопередача.- 1986. № 3. - С. 123-132.

29. Ahmed A., Murat М. Modelisation thermodynamique de la loi de degagement de chaleur des moteurs diesel fortement suralimentes // Entropie. 1982. - 18, № 105. -P. 22-29.

30. Watkins A.P., Gosman A.D., Tabrizi B.S. Calculation of three dimensional spray motion in engines // Ibid. 1986.860468.-P. 10-22.

31. Davis G.C., Mikulec A., Kent S.C., Tabaczynski R.S. Modelling the effect of swirl on turbulence intensity and burn rate in S.I. engines and comparison with experiment // SAE Techn. Pap. Ser. 1986.- № 860325. - P. 1-8.

32. Gupta A.K., Mehta P.S., Gupta C.P. Model for predicting air fuel mixing and combustion for direct injection diesel engin // SAE Techn. Pap. Ser. - 1986.- № 860331.-P. 7-19.

33. Лебедев O.H., Солоненко О.П. Теоретические основы процессов струйного смесеобразования в дизелях // Изв. СО АН СССР. Сер. техн. наук. 1987. - № 11, вып. 3.-С. 119-123.

34. Kono Seiko, Nagao Akihito, Motooka Hiroaki. Prediction of in-cylinder flow and spray formation sffects on conbustion in direct injection diesel engines // SAE Techn. Pap. Ser. 1985. - № 850108. - P. 12.

35. Хироясу X. Современные тенденции моделирования сгорания в дизеле: Пер. с яп. JI 48374 // Дзидоси гидзюцу. - 1984. - 38, № 4. - с. 424-432.

36. Wilson М., Wallace F. A comprehensive Phenomenological Model of tezet Mixing Process in D.J. Disel Engines // SAE Techn. Pap. Ser. 1986. - № 861273.1. P 1Q70T1

37. Комода Т., Мурахами С., Тосиока С., Обара Т. Исследования, направленные на разработку высокоэффективного дизельного двигателя, работающего на газообразном топливе: Пер. с яп. J1 54695 // Мицуи дзосэн гихо. - 1984. - № 121.-С. 46-55.

38. Matheer Н.В., Gajendra Babu М.К., Prasad Y.N. A Thermodinamic simulation model for a dual fuel open combustion chamber compression ingnition engine // SAE Techn. Pap. Ser. 1986. - № 861275. - P. 233-245.

39. Теория двигателей внутреннего сгорания / Под ред. Н.Х. Дьяченко Л.: Машиностроение, 1974. 554 с.

40. Тареев В.М. Справочник по тепловому расчету рабочего процесса ДВС. Л.: Речной транспорт, 1961. 416 с.

41. Стечкин Б.С., Генкин К.И. и др. Индикаторная диаграмма, динамика тепловыделения и рабочий цикл быстроходного поршневого двигателя. М.: Изд-во АН СССР, 1960, 197 с.

42. Нейман К. Кинетический анализ процесса сгорания в дизеле. Двигатели внутреннего сгорания, 1938, IV.

43. Розенблит Г.Б. Теплопередача в дизелях. М.: Машиностроение, 1977, 216 с.

44. Глаголев Н.М. Рабочие процессы двигателей внутреннего сгорания. М.: Машгиз, 1950.

45. Вибе И.И. Новое о рабочем цикле двигателей. М.: Машгиз, 1962, 265 с.

46. Соколик А.С. Самовоспламенение, пламя и детонация в газах. М.: Изд-во АН СССР, 1930,425 с.

47. Бриллинг Н.Р. Исследование рабочего процесса и теплопередачи в двигателях дизеля, ГНТИ, 1931.

48. Симеон А.Э., Хомич А.З., Куриц А.А. и др. Двигатели внутреннего сгорания. М.: Транспорт, 1980, 384 с.

49. Ваншейдт В.А. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Л.: Судпромгиз, 1950. 528 с.

50. Иноземцев Н.В., Кошкин В.К. Процессы горения в двигателях. М.: Машгиз, 1949, 344 с.

51. Borman G.L. Mathematical Simulation of Internal Combustion Engine Processes and Performance Including Comparisons with Experiment // Ph. D. Thes. Univ. Wisconsin, 1964.-P. 73.

52. Kr ieger R.B., Borman G.L. The Computation of Apparent Heat Releuse for Internal Combustion Engines // Proc. DGP. ASMEGG. - SA / DGP. - 1966. - 4. - P. 4.

53. Lyn W.T. Stady of the Burning Rate and Nature of Combustion in Diesel Engines // IX Symp (International) on Combust. Miami, 1962. - P. 103.

54. Grigg H.C., Syed M.N. The Problem of Predicting Rate of Heat Release in Diesel Engines // Symp on Diesel Engines Combustion // Inst. Mech. Eng. Miami. 1970. P. 85.

55. Khan I.M., Greeves G., Probert D.M. Prediction of Soot and Nitric Oxide Concentration in Diesel Engines Exhaust // Conf. on "Air Pol. Con. in Trans. Eng."/ Inst. Mech. Eng. Miami. 1971. P.

56. Shahed S.M., Chiu W.S., Gumbu V.S. A Preliminary Model for the Formation of Nitric Oxide

57. Bastress E.K., Chny K.M., Dix D.M. Models of Combustion and Nitrogen Oxide Formation un DI and IDI Compression Ignition Engine // Ibid. -1971.

58. Кудряш А.П. и др. Природный газ в двигателях. Киев. Наукова думка, 1990.

59. Кулешов А.С., Грехов JI.B. Математическое моделирование и компьютерная оптимизация топливоподачи и рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания.- М.: МГТУ, 2000.- 64 с.

60. Разлейцев Н.Ф. Моделирование и оптимизация процесса сгорания в дизелях.-Харьков: Вища школа, 1980.- 169 с.

61. Разлейцев Н.Ф., Кулешов А.С., Каримов А.Н., Гришин Ю.А. Математическая модель смесеобразования и сгорания в дизелях// Совершенств.мощн., экон. и экол. показ. ДВС: Материалы VI Международ. Науч.-практ,-Владимир: ВГУ.- 1997.- с. 144-146.

62. Baulch D.L. et al. //J. Phys. Chem. Ref. Data. 1982. Vol. 11. N2. P.327.

63. Лоскутов A.C., Новоселов А.Л., Вагнер В.А. Снижение выбросов окислов азота дизелями в атмосферу./ Алт. Краевое правление Союза НИО СССР.-Барнаул: Б.И., 1990.- 120с.

64. Heider G., Woshni G., Zeilinger К. 2-Zonen Rechenmodell zur Vorausberechnung der NO-Emission von Dieselmotoren. MTZ № 11, 1998.

65. Звонов В. А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания.- М.: Машиностроение, 1981.- 160 с.

66. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. М.: Наука, 1966.- 686 с.

67. Зельдович Я.Б., Садовников П.Я., Франк-Каменецкий Д.А. Окисление азота при горении.-М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1947.- 148 с.

68. Мехтиев Р.И. Расчет температуры и динамики образования окислов азота в двигателях с неоднородным зарядом.// Двигателестроение, 1981, № 4, С. 18-20.

69. Сковородников Е.И. Научные основы технического и технологического обеспечения снижения вредных выбросов тепловозов. Автореферат дисс. на соиск. степени д.т.н. Омск, 2000. С. 46.

70. Элементы системы автоматизированного проектирования ДВС: Алгоритмы прикладных программ: Учеб. пособие/ P.M. Петриченко и др.,- Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1990. 328 е.: ил.

71. Разлейцев Н.Ф. Кинетическое уравнение динамики образования и выгорания сажи в цилиндре дизеля. Двигатели внутреннего сгорания, 1977, вып. 26, с. 10-18.

72. Давлетшин Р.Ф., Яценко О.В. // Моделирование процессов управления и обработки информации. М., 1993.

73. Воинов А.Н. Сгорание в быстроходных поршневых двигателях. М., 1977. 277 с.

74. Иноземцев Н.В. Курс тепловых двигателей. М.: Оборонгиз, 1954.

75. Основы горения углеводородных топлив/ Под ред. JI.H. Хитрина. М., 1960. 546 с.

76. Булыгин Ю.И., Давлетшин Р.Ф., Яценко О.В.//Математическая модель процесса горения в поршневом ДВС//Изв. Вузов. Сев.-Кав. Регион. Естеств. Науки. 1995. №4. С. 19-21.

77. Кондратьев В.Н., Никитин Е.Е. Химические процессы в газах. М., 1985,262 с.

78. Булыгин Ю.И., Давлетшин Р.Ф., Яценко О.В.//Элементарные химические процессы в ДВС: кинетическое описание//Изв. вузов. Сев.-Кав. регион. Естеств. науки. 1995. №4. С. 44-54.

79. Булыгин Ю.И., Давлетшин Р.Ф., Яценко О.В.//Моделирование энергетических характеристик тепловозного дизеля//Изв. вузов. Сев. Кавк. регион. Естеств. науки. 1996. № 1. С 29-30.

80. Булыгин Ю.И., Жигулин И.Н., Аствацатуров А.Е., Ладоша Е.Н., Сакаев Э.К., Яценко О.В.//Компьютерная модель термогазодинамики и химических превращений в поршневом двигателе//Изв. вузов. Сев. Кавк. регион. Техн. науки.2001. № 1. С. 75-83.

81. Loiseau S. // Entropie. 1994. Vol.30 N 186. Р.59-61.

82. Elts P. // MTZ: Motortechn. Z. 1993. Vol.54. N 3. S. 134-140.

83. Los Alamos code supports diesel engine design tests // Sianal CUSAV 1995.1. Vol.49.N6.P.25.

84. Губанов E.B. и др. Автоматизированные системы расчета химических и оптических свойств плазмы в задачах высокотемпературной газовой динамики. М., 1992. (Препринт./ИВТАН; N 1-344).

85. Элементы системы автоматизированного проектирования ДВС: Алгоритмы прикладных программ: Учеб. пособие/ P.M. Петриченко и др.- Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1990. 328 е.: ил.

86. Магнитский Ю.А. Об использовании первого закона термодинамики при расчете рабочего процесса в цилиндре ДВС // Совр. пробл. энергетики: межвуз. сб. научн. тр. Ростов-на-Дону, РГУ ПС, 1998. С. 3-7.

87. Теплотехнический справочник / Под общ. ред. С.Г. Герасимова. В 2-х т. М.: Госэнергоиздат, 1957.

88. Синярев Г.Б. и др. Применение ЭВМ для термодинамических расчетов. М., 1982.

89. Зельдович Я.Б., Садовников П.Я., Франк-Каменецкий Д.А. Окисление азота при горении. М.-Л: Изд-во АН СССР, 1947. 146 с.

90. Беднарский В.В. Экологическая безопасность при эксплуатации и ремонте автомобилей. Ростов н/Д: Феникс, 2003.

91. Якубовский Ю. Автомобильный транспорт и защита окружающей среды. М.: Транспорт, 1979.

92. Колчин А.И., Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. М.: ВШ, 2002.

93. Яценко О.В. Инженерная модель радиационной газовой динамики с фото- и химическими превращениями. Ростов н/Д., 1999. Деп. в ВИНИТИ №320-В99.

94. Булыгин Ю.И., Жигулин И.Н., Магнитский Ю.А., Яценко О.В./ Математическое моделирование рабочего процесса поршневых машин/Монография. РГУ ПС. Ростов на- Дону, 2001. с. 208.

95. Самарский А.А., Попов Ю.П. Разностные методы решения задач газовой динамики. М.: Наука, 1980.

96. Денисов Е.Т. Кинетика гомогенных химических реакций. М.: Высшая школа, 1988.

97. Дарахвелидзе П.Г., Марков Е.П. Delphi среда визуального программирования. С.-Пб., 1996.

98. Потемкин В.Г. Система MATLAB 5 для студентов. М.: Диалог МИФИ, 1988.

99. Давлетшин Р.Ф., Яценко О.В. Методика разработки сложных радиационно-кинетических моделей: основные принципы и техническая реализация // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Ест. науки. 1994. № 4. С. 75-79.

100. Гольдин В.Я. О математическом моделировании сплошной среды с неравновесным переносом. В кн.: Современные проблемы математической физики и вычислительной математики. М.: Наука, 1982. С. 113-127.

101. Booch G. Object Oriented Design. N.-Y., 1993.

102. Булыгин Ю.И., Давлетшин Р.Ф., Яценко О.В. // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Ест. науки. 1996. № 2. С. 35-39.

103. Булыгин Ю.И., Давлетшин Р.Ф., Яценко О.В. // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Ест. науки. 1997. № 2. С. 43-44.

104. Булыгин Ю.И. и др. / Совр. пробл. энергетики: Межвуз. сб. научн. тр. Ростов-на-Дону, РГУПС, 1998. С. 3-7.

105. Жигулин И.Н., Ладоша Е.Н., Яценко О.В // Вестник РГУ ПС. 2000. № 2. С. 46-50.

106. Жигулин И.Н., Ладоша Е.Н., Яценко О.В.// Вестник РГУ ПС. 2000. № 3. С. 41-47.

107. Деундяк Д.В., Ладоша Е.Н., Яценко О.В. // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2000. № 2. С. 91-92.

108. Шваб В.А. Исследование процессов горения натурального топлива. М.: Госзнепгоизгтят 104Я

109. Амелькин В.В. Дифференциальные уравнения в приложениях. М.: Наука, 1987.

110. Тихонов А.Н. Система дифференциальных уравнений, содержащих малые параметры при производных / Мат. сборник. 1952. Т. 31 (73), № 3. С. 575.

111. Жигулин И.Н., Ладоша Е.Н.„ Яценко О.В. // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Ест. науки. 2001. № 2. С. 39-41.

112. Магнитский Ю.А. / Совр. пробл. энергетики: Межвуз. сб. научн. тр. Ростов-на-Дону, ГУПС, 1998. С. 3-7.

113. Кутенев В.Ф., Звонов Г.А., Корнилов Г.С. Экологические проблемы автотранспорта в России // Стандарты и качество. 1998. №5. С. 96-101.

114. ГОСТ 21393-75. Автомобили с дизелями. Дымность отработавших газов. Нормы и методы измерений. Требования безопасности.

115. Топливная экономичность силовых установок тепловозов. Володин А.И., Фофанов Г.А. М., Транспорт, 1979, с. 126.

116. Давлетшин Р.Ф., Дорошенко В.М., Кудрявцев Н.Н., Яценко О.В. Теоретическое исследование переноса излучения и неравновесных фотопревращений при мощных взрывах в верхней атмосфере / Препринт ИВТАН№ 2-352. М., 1992.

117. Давлетшин Р.Ф., Лохов Г.М., Яценко О.В. Влияние реактивных выбросов ракет на состояние земной озоносферы // Письма в ЖТФ. 1993. Т. 19. Вып. 19. С. 5-9.

118. Давлетшин Р.Ф., Яценко О.В. КИНКАТ автоматизированная система разработки сложных радиационно-кинетических моделей / Межвед. сб.: Мат. модел. процессов управления и обработки информации. М.: МФТИ, 1993. С. 113-123.

119. Яценко О.В. Математическое моделирование процессов в природе и технике: Современный инженерный подход. Ростов н/Д., 2000. Деп. в ВИНИТИ № -В00.

120. Яценко О.В., Загороднюк В.Т. Компьютерное моделирование задач прикладной физико-химической динамики. Ростов н/Д.: Изд-во СКНЦ ВШ, 2001.

121. Луканин В.Н., Буслаев А.П., Яшина М.В. Автотранспортные потоки и окружающая среда. М.: ИНФРА-М, 2001.

122. Двигатели внутреннего сгорания / Хачиян А.С. и др. М.: Высш. шк., 1985. - 311 с. (прототип)

123. Кутенев В.Ф., Звонов Г.А., Корнилов Г.С. // Стандарты и качество. 1998. N 5. С. 96-101.

124. Аствацатуров А.Е., Булыгин Ю.И. и др. // Компьютерная модель термогазодинамики и химических превращений в поршневом двигателе // Изв. вузов. Сев.-Кав. регион. Техн. науки. 2001. N 1.

125. Математическое моделирование рабочего процесса поршневых машин. Монография / Ю.И. Булыгин и др. РГУ ПС. Ростов н/Д, 2001. 208 с.

126. Фофанов Г.А. Природный газ моторное топливо для тепловозов // Вестник ВНИИЖТ. Москва, 2002. № 4.

127. Беднарский В.В. Экологическая безопасность при эксплуатации и ремонте автомобилей: Учебное пособие. Ростов-на-Дону: Феникс, 2003.-384 с. ил.

128. Гладков О.А., Бернштейн Е.В., Виноградов Д.П. "Характер воздействия ВТЭ на процессы сгорания топлива в дизеле" // Двигателестроение.-1989.-№10.-с. 10-12.

129. Сенчило В.В., Школьный А.А. "Анализ процесса испарения ВТЭ методами теории бинарных смесей" // Двигателестроение.-1987.- №8.-с. 6-8.

130. ГОСТ Р 50953-96 Выбросы вредных веществ и дымность отработавших газов магистральных и маневровых тепловозов. Нормы и методы определения.

131. ГОСТ 10578-96 Насосы топливные дизельные. Общие технические условия.

132. Кумсков В.Т., Покалюк А.И. Топливо и процессы горения. Учеб. пособие для высш. учеб. заведений ж.-д. транспорта. М., Трансжелдориздат, 1963. 196 с.

133. Лышевский А.С. Процессы распыливания топлива дизельными форсунками. М.: Машгиз, 1963. 302 с.

134. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей. Под ред. А.С. Орлина и М.Г. Круглова. -М.: Машиностроение, 1983.-372 с.

135. Никитин Е.А., Пинский Ф.И. Исследования дизель-генератора типа 8ЧН 26/26 с электрогидравлической системой топливоподачи и электронным управлением // Двигателестроение. 1979. № 10. С. 18-20.

136. Булыгин Ю.И., Магнитский Ю.А. Исследование выбросов вредных веществ в атмосферный воздух тепловозными дизелями при частичных нагрузках // Изв. вузов. Машиностроение.- 2003. №10. - С. 38-46.

137. Автоматизация расчетов экономичности экологичности транспортных силовых установок / Ю.И. Булыгин, Р.А. Давлетшин, Ю.А. Магнитский и др. / Межвуз. сб.: Современные проблемы энергетики. Ростов-на-Дону: Изд. РГУПС, 1998.-С. 86-89.

138. Кульчицкий А.Р. Токсичность автомобильных и тракторных двигателей: Учеб. пос. для высшей школы.-2-е изд., испр. и доп.-М.: Академический Проект, 2004.-400 с.

139. Иващенко Н.А., Горбунова Н.А. Метод получения и обработки системных опытных данных для идентификации математических моделей рабочего процесса дизеля // Изв. вузов. Машиностроение.- 1986. №12. - С. 61-65.

140. Иващенко Н.А., Горбунова Н.А. Методика и результаты идентификации математической модели рабочего процесса дизеля // Двигателестроение.-1989.-№ 4.-С. 13-15.

141. Смайлис В.И. Рециркуляция отработавших газов как средство сокращения выбросов окислов азота дизелями.- В кн.: Снижение загрязнения воздуха в городе выхлопными газами автомобилей,- М.: НИИНавтопром, 1971. С. 118126.

142. Смайлис В.И. Малотоксичные дизели.-JI.: Машиностроение, 1972.- 127 с.

143. Орлик С. Секреты Delphi на примерах. М.: БИНОМ, 1996.

144. Фортран 77 для ПЭВМ ЕС: Справочное издание / З.С. Брич, Д.В. Капилевич, Н.А. Клецкова. М.: Финансы и статистика, 1991.

145. Симеон А.Э., Сименко Н.П. и др. "Испытания тепловозных и судовыхпичрпрй типя 7Т1ПП" АД АДошгчп т<п

146. Компьютерные средства имитации рабочего процесса в ДВС / И.И. Жигулин, О.В. Яценко; РГУ ПС. Ростов-на-Дону, 2001, 92 с.

147. Исследование энергетических и экологических показателей работы тепловых двигателей, используемых в машиностроении и на транспорте: Методические указания к лабораторной работе. / ДГТУ. Ростов-на-Дону, 2000, 8 с.

148. Кулешов Р.В. Синтез и исследование связи внутрицилиндровых и экологических характеристик тепловозных дизелей для целей диагностики. Автореферат канд диссертации., Ростов-на-Дону, 2001.

149. Двигатели внутреннего сгорания ( тепловозные дизели и газотурбинные установки). Учебник/ Симеон А.Э., Хомич А.З., Куриц А.А. и др. М., 1980 384 с.

150. Временные нормы и методы определения удельных выбросов загрязняющих веществ в атмосферу с отработавшими газами дизелей эксплуатируемых тепловозов. М., 1991.

151. Методика расчета величины платы за выбросы в атмосферу загрязняющих веществ от тепловозов Ростов - на - Дону, Экология транспорта, 1999.

152. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2002610605 РФ. Расчет энерго-экологических параметров ДВС "ENGINE''/Булыгин Ю.И., Яценко О.В., Жигулин И.Н., Ладоша Е.Н. Приоритет от 11.03.2002.- Опубликовано . .2002, Бюл. № .

153. Ладоша Е.Н., Холодова С.Н., Яценко О.В. Статистические методы и идентификация математических моделей токсичности транспортных двигателей // Изв. Вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2005. №2.

154. Булыгин Ю.И.//Моделирование внутрицилиндровых процессов транспортных двигателей с целью повышения их экономичности и экологичности//Изв. вузов. Сев.-Кав. регион. Естеств. науки. Приложение. 2005. №12. С. 52-60.

155. Булыгин Ю.И., Магнитский Ю.А., Ладоша Е.Н., Деундяк ДВ. О возможности комплексной оценки экологичности транспортных двигателей при помощи термохимической модели горения // Вестник РГУ ПС. Ростов-на-Дону, 2001.№ 2. С. 148-151.

156. Булыгин Ю.И. Результаты компьютерного моделирования рабочего процесса тепловозных дизелей и их использование на практике // Вестник РГУ ПС. Ростов-на-Дону, 2005.№ 4.

157. Кавтарадзе Р.З. Локальный теплообмен в поршневых двигателях. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001.-592 с.

158. Кавтарадзе Р.З. и др. Метод расчета локальных концентраций оксидов азота в поршневых двигателях с внутренним смесеобразованием на основе многозонной модели. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2004. № 1.С. 43-57.

159. Носырев Д.Я. и др. Научные основы контроля и диагностирования тепловозных дизелей по параметрам рабочих процессов. Самара: СамИИТ, -2001.-174 с.

160. Носырев Д.Я. и др. Механизмы и особенности образования оксидов азота в тепловозных дизелях: монография.-Самара: СамГАПС, 2005,- 154 с.

161. Булыгин Ю.И., Ладоша Е.Н. О возможности комплексной оценки экологичности транспортных двигателей при помощи термохимической модели горения/ Сер. "Проблемы гуманитарных и естественных наук". Вестник ДГТУ. Ростов-на- Дону. - 2000. - С. 86-89.

162. Булыгин Ю.И. // Результаты компьютерного моделирования рабочего процесса ДВС и их использование на практике // Изв. вузов. Сев. Кавк. регион. Техн. науки. 2006. - № 2. - С.77-81.

163. Междунар. науч.-технич. конф. том 1. Ростов-на-Дону: СКНЦ ВШ, 2000. - С. 14-17

164. А.с. № 1763931 СССР. Устройство для регистрации кривой тепловыделения в цилиндре ДВС/ Магнитский Ю.А., Булыгин Ю.И., Черников В.В., Стрельников С.В. Приоритет от 22.05.92. Опубликовано в Б.И. 23.09.92, Бюл. № 35. G01 М 15/00.

165. А.с. № 1815607 СССР. Устройство для регистрации кривой тепловыделения в цилиндре ДВС/ Магнитский Ю.А., Булыгин Ю.И., Черников

166. B.В., Стрельников С.В. Приоритет от 11.10.92. Опубликовано в Б.И. 15.05.93, Бюл. № 18.G01 М 15/00.

167. Патент № 2258917 РФ. Устройство преобразователя движения поршня в цилиндре поршневой машины/Булыгин Ю.И., Магнитский Ю.А. Приоритет 16.07.01.- Опубликовано в Б.И. 20.08.2005, Бюл. № 23 (2-я часть) С2 Кл.7 F 02 М 65/00, G 01 М 15/00.

168. Булыгин Ю.И., Магнитский Ю.А., Черников В.В. Практические приложения кинематических и динамических расчетов поршневых машин. -Ростов-на-Дону: РГУ ПС, 2006. 96 с.

169. Булыгин Ю.И., Калинов А.В. Исследование систем автоматического регулирования момента впрыска топлива // Вопросы теплоэнергетики и криогенной техники на железнодорожном транспорте: Межвуз. темат. сб. науч. тр.- Ростов-на-Дону: РИИЖТ, 1988.- С. 80-83.

170. Булыгин Ю.И., Деундяк Д.В., Ладоша Е.Н., Яценко О.В. Термохимическаягг

171. Математические и статистические методы в экономике и естествознании: Материалы межвузовских научных чтений. Ростов-на-Дону: Рост. гос. эконом, универ., 2000. - С. 154-156.

172. Булыгин Ю.И. Оптимизация преобразователя хода поршня в системе контроля внутрицилиндровых параметров ДВС // Актуальные проблемы развития ДВС и дизельных установок: Материалы всесоюзн. науч.-техн. конференции. Ленинград: .1990. - С. 207-208.

173. Донской государственный технический университет1. На правах рукописи1. БУЛЫГИН Юрий Игоревич

174. ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВНУТРИЦИЛИНДРОВЫХ ПРОЦЕССОВ И ТОКСИЧНОСТИ ДИЗЕЛЕЙ ТЕПЛОВОЗОВ

175. Специальность 05.04.02 «Тепловые двигатели»