автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Повышение экономических и экологических качеств транспортного дизеля при работе на режимах малых нагрузок и холостых ходов

РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ ИНЖЕНЕРНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ

УДК 621.436.038.001

На правах рукописи

АНОШИНА ТАТЬЯНА СЕРГЕЕВНА

ПОВЫШЕНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКИХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ КАЧЕСТВ ТРАНСПОРТНОГО ДИЗЕЛЯ ПРИ РАБОТЕ НА РЕЖИМАХ МАЛЫХ НАГРУЗОК И ХОЛОСТЫХ ХОДОВ

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.04.02 - тепловые двигатели

25ФЕВ 2015

Москва, 2014

005559389

005559389

Работа выполнена на кафедре теплотехники и тепловых двигателей Российского университета дружбы народов.

Научный руководитель:

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

кандидат технических наук, доцент Савастенко Андрей Александрович

заслуженный работник высшей школы РФ, доктор технических наук, профессор Патрахальцев Николай Николаевич

доктор технических наук, профессор Грехов Леонид Вадимович, Московский государственный технический университет (МГТУ) им. Н.Э. Баумана;

кандидат технических наук, доцент Дунин Андрей Юрьевич, Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ), каф. теплотехники и автотракторных двигателей.

Ведущая организация:

Российский государственный аграрный университет (РГАУ-МСХА) им. К.А. Тимирязева

л „ /

Защита диссертации состоится 17 марта 2015 г. в'1500час.. на заседании диссертационного совета Д"212.5 03.33 ВАК РФ при Российском университете дружбы народов по адресу: 117302, г. Москва, ул. Подольское шоссе, 8/5. ауд. 431.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Российского университета дружбы народов по адресу: 117198, Москва, ул. Миклухо - Маклая. д. 6. Сайт: http://dissovet.mdn.ai/web-local ^ Автореферат разослан 13 февраля 2015 г. Отзывы на автореферат просим прёдставлять в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью, в адрес диссертационного совета. Телефоны для справок: 952-67-87, 952-62-47.

E-mail: nikpatrah@mail.ru

Учёный секретарь

диссертационного совета Д 212.203.33 профессор

JI. В. Виноградов

Основные обозначения и сокращения, принятые в работе

ВСХ — внешняя скоростная характеристика дизеля.

КПД - коэффициент полезного действия.

ЛВД - линия высокого давления.

ЛНД - линия низкого давления.

МЫ - малые нагрузки.

НУР - неустановившийся режим работы.

ОЦ - отключение цилиндра, цилиндров.

РНД — регулирование начального давления.

СОЦЦ - система отключения цилиндров или циклов.

ТА - топливная аппаратура.

ТНВД - топливный насос высокого давления.

УР — установившийся режим работы.

ФХР - «физико - химическое» регулирование дизеля, т. е. регулирование дизеля изменением физико - химических и моторных свойств топлива. XX - холостой ход двигателя.

¿поля. - полная работа, выполняемая двигателем, [Дж]. 1УЯ - удельная работа, выполняемая двигателем, [Дж/(дм )]. уь У,„ 2-У/, - рабочий объём цилиндра, рабочий объём полноразмерного двигателя и рабочий объём двигателя с отключением цилиндров или циклов [дм3].

/, г - число цилиндров полноразмерного двигателя и число активных (работающих) цилиндров двигателя с отключением цилиндров.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ В условиях эксплуатации современные дизели транспортных средств, тракторов и других мобильных машин длительное время работают на режимах малых нагрузок (МН) и холостых ходов (XX). На этих режимах удельные, а также часовые, путевые, расходы топлива существенно возрастают в сравнении с расходами, свойственными режимам средних и повышенных нагрузок, а следовательно возрастают и удельные (отнесённые к единице вырабатываемой мощности) выбросы СОг, относящегося к парниковым газам. При этом возрастают выбросы с отработавшими газами (ОГ) токсичных компонентов. Длительная работа на таких режимах нередко сопровождается снижением вязкости смазочного масла из-за попадания в него не сгоревшего топлива, повышением отложений нагара на деталях цилиндро - поршневой группы, лопатках турбокомпрессора дизелей с наддувом, закоксовыванием сопловых отверстий форсунок и т.д. Т. е. в конечном итоге - снижением долговечности и надёжности работы двигателя, потребностью более трудоёмкого и сложного технического обслуживания, более частого ремонта.

Одним из методов повышения экономичности, снижения токсичности выбросов и т.д. при реализации таких режимов является метод регулирования нагрузки дизеля изменением его рабочего объёма, что в простейшем случае достигается отключением части цилиндров или циклов. Метод

активно применяется в автомобильных двигателях с искровым зажиганием. В меньшей степени он реализован в транспортных дизелях (за исключением тепловозных дизелей). Объясняется это в значительной степени сложностью технических решений для его реализации, недостаточностью информации о возможностях повышения экономичности и экологичности дизелей, реализующих метод в условиях эксплуатации.

Целью данной работы является повышение экономических и экологических качеств транспортного дизеля с разделённой системой топли-воподачи на режимах МН и XX методом изменения рабочего объёма двигателя отключением части цилиндров, путём отключения подач топлива.

Для достижения указанной цели в работе решаются следующие задачи:

- систематизация методов совершенствования работы транспортного дизеля на режимах холостых ходов и малых нагрузок;

- выбор топливной аппаратуры дизеля, обеспечивающей изменение рабочего объёма дизеля отключением - включением отдельных цилиндров или циклов;

разработка методики предварительного расчётно-экспериментального определения эффективности метода отключения цилиндров для снижения удельных выбросов основных токсичных компонентов отработавших газов на режимах малых нагрузок;

- получение численных значений возможных снижений выбросов основных токсичных компонентов и расхода топлива при применении рассматриваемого метода отключения цилиндров.

Научная новизна работы заключается в следующем.

Предложена и применена в исследовании методика расчётно-экспериментальной оценки как экономических, так и экологических показателей дизеля, работающего на режимах МН, при его регулировании отключением цилиндров.

С использованием разработанной методики получены качественные и количественные подтверждения возможности снижения выбросов дизелем оксидов азота, оксидов углерода и углеводородов на режимах малых нагрузок при регулировании двигателя отключением цилиндров.

Получены подтверждения и количественные показатели эффективности снижения токсичности дизеля при его регулировании комплексно методами физико-химического регулирования (ФХР) и отключения части цилиндров.

Практическая значимость результатов исследования заключается в том, что с использованием разработанной методики можно предварительно, до проведения экспериментальных исследований, оценить эффективность применяемого метода регулирования дизеля.

Методы исследования. В работе применены экспериментальные и расчётно - экспериментальные методы исследования.

Достоверность результатов расчётно-экспериментальных исследований определяется тем, что они не противоречат фундаментальным зако-

нам физики, применявшееся оборудование и стенды обладают достаточной точностью, а результаты исследования - сходимостью с результатами опубликованных экспериментальных исследований.

Реализация результатов работы. Материалы исследования применяются при выполнении госбюджетной научно - исследовательской работы кафедры, в учебном процессе и при подготовке магистерских и кандидатских диссертаций.

Апробация работы. Результаты работы доложены на научно -технических конференциях инженерного факультета РУДН в 2012, 2013 и 2014 г.г., на Всероссийском семинаре в Ml'ГУ им. Н.Э. Баумана, на юбилейной конференции в Вятской агроинженерной академии.

Публикации. По результатам исследований, вошедших в диссертацию, опубликованы 5 работ, из которых 4 - статьи, 1 - тезисы доклада, причём, все 5 работ опубликованы в изданиях по списку ВАК РФ.

Структура и объём работы. Диссертация содержит 121 страницу, в том числе 72 рисунка и 5 таблиц, и состоит из введения, четырёх глав, выводов и списка использованной литературы в количестве 119 наименований. Основное содержание диссертации изложено на 96 страницах машинописного текста.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы разработки методов и средств, обеспечивающих повышение показателей экономичности и экологичности работы дизеля на режимах МН и XX.

В первой главе проведён обзор работ, направленных на решение проблемы. Вопросам разработки и исследования методов и средств организации рабочих процессов дизелей, работающих на режимах МН и XX, а также их регулирования методами отключения - включения цилиндров или циклов посвящены работы ряда отечественных и зарубежных учёных: Балабин В.Н., Березний В.В., Галиуллин P.P., Голубков Л.Н., Грехов JI.B., Девянин С.Н., Драгунов Г.Д., Зиняев А.Б., Злотин Г.Н., Кутенёв В.Ф., Марков В.А., Медведев А.Н., Минкин Л.М., Патрахальцев H.H., Рябикин А.Г., Славуцкий В.М., Тер-Мкртичьян Г.Г., Филиппов А.З., Хомич А.З., Шатров Е.В., Peters G.F., Uday Senapati, Ian McDevitt, Aaron Hankinson и др. Проведённый анализ позволил сделать следующие выводы. В современных условиях эксплуатации дизелей, особенно транспортного назначения, характерным является большая доля работы на режимах МН и XX, что приводит к повышенному расходу топлива, а также к ухудшению экологических характеристик установок с дизелями. Решению проблемы повышения экономичности и снижения токсичности выбросов дизелей на режимах МН и XX посвящено значительное количество научных работ. В них предлагаются разные методы и средства достижения поставленных целей. Одно из наиболее распространённых направлений этих работ - разработка и исследование метода регулирования дизеля изменением его рабочего объёма, реализуемого отключением цилиндров двигателя, путём выключения подач топлива в них. Метод такого регулирования, воздейст-

вия на протекание рабочего процесса дизеля, применяется, прежде всего, для повышения эксплуатационной топливной экономичности установок с дизелями. В меньшем объёме - с целью снижения токсичности выбросов. Информация по вопросу возможности достижения конкретного положительного эффекта в части снижения токсичности путём отключения цилиндров весьма ограничена. Достижение положительного эффекта в части снижения токсичности выбросов методом отключения цилиндров осуществляется, как правило, экспериментальным путём, что является дорогостоящим и длительным процессом. Для оценки эффекта снижения расхода топлива отключением цилиндров разработаны ряд методов предварительной оценки, с целью ускорения достижения результатов и снижения стоимости исследований и разработок. В части оценки экологического эффекта такие методы практически отсутствуют. На сегодняшний день информация о количественных показателях возможности достижения экологического эффекта от применения метода отключения цилиндров на дизелях ограничена.

Во второй главе проанализированы возможности повышения топливной экономичности и снижения токсичности выбросов транспортного дизеля на режимах МН. Показано, что метод отключения части цилиндров на таких режимах обеспечивает повышение цикловых подач в активных (оставшихся в работе) цилиндрах, а следовательно и качество распылива-ния и распределения топлива, снижение коэффициента избытка воздуха, повышение теплового состояния активных цилиндров, чем и определяется возможность повышения экономичности и экологичности дизеля на таких режимах. Рассмотрены возможности решения проблемы путём регулирования физико-химических и моторных свойств топлива (применение метода физико -химического регулирования - ФХР). Собрана опубликованная, полученная экспериментальным путём, информация о зависимостях удельных расходов топлива и концентраций токсичных компонентов ОГ от нагрузочных режимов при разных частотах вращения, заключённая в универсальных (многопараметровых) характеристиках дизеля и необходимая для дальнейшей обработки по разрабатываемой далее методике. Проанализированы системы отключения цилиндров дизелей и выбрана система, разработанная в МГТУ им. Н.Э. Баумана и РУДН, основанная на применении клапанов регулирования начального давления (РИД) и применимая для дизелей с топливной аппаратурой разделённого типа (рис. 1).

Проведён анализ возможного изменения механических потерь в дизеле при отключении части цилиндров. Показано, что большинство реально применяемых методов экспериментального определения механических потерь основаны на использовании отключения цилиндров, что приближает полученные данные к условиям регулирования дизеля таким методом. Обосновано допущение о том, что в условиях реализации режимов МН механические потери зависят только от скоростного режима и не зависят от числа отключённых цилиндров.

б

Рис. 1. Схема системы топливоподачи с отключением подачи топлива в де-активируемые цилиндры или с вводом сжиженного пропана -бутана топливного (СПБТ) в дизельное топливо в линии высокого давления (ЛВД) между циклами топливоподачи через клапан регулирования начального давления (РНД): 1-форсунка закрытого типа; 2-ЛВД; 3-штуцер; 4-корпус электромагнита; 5-прокладка; 6-электромагнитная катушка; 7-запорный вентиль; 8-магнитный элемент; 9-уплотнение; 10-баллон с СПБТ; 11-контакт электромагнита; 12-невозвратные регулируемые клапаны; 13-возвратная пружина; 14-трубчатый шток удержания клапана РНД; 15-контакт электромагнита; 16-седло клапана РНД; 17-запорный конус клапана РНД; 18-пружина клапана РНД; 19-ограничитель хода клапана РНД; 20-нагнетательный клапан топливного насоса высокого давления (ТНВД) с разгрузочным пояском; 21-ТНВД; 22-корпус узла с клапаном РНД; 23-клапан РНД.

Принципиальным отличием такой системы является то, что открытие клапана РНД для отключения цилиндра или для ввода СПБТ происходит за счёт гидродинамических, волновых, явлений в ЛВД, сформированных при отсечке подачи и посадке нагнетательного клапана ТНВД в седло.

В третьей главе в качестве объектов исследования приняты дизели автотракторного назначения типов КамАЗ-7406 (8 ЧН 12/12) и Д-240 (4 Ч 11/12,5). Приведена информация об объектах исследования, о стендах для исследования топливной аппаратуры и дизелей, что необходимо для оценки достоверности, точности полученных ранее экспериментальных результатов, которые используются в работе. Приведены основные расчётные уравнения, применяемые при обработке опубликованных или полученных ранее экспериментальных результатов. Проведена оценка погрешностей измерений и сделан вывод о том, что применяемое оборудование, измерительная и регистрирующая аппаратура обеспечивают достаточную точность результатов расчётно-экспериментального исследования.

Разработана методика оценки возможности повышения экономичности дизеля на режимах МН при его регулировании отключением цилиндров и приведены примеры реализации методики оценки экономичности дизеля, регулируемого отключением цилиндров. Существо методики заключается в следующем. Для её реализации используется универсальная характеристика дизеля, содержащая параметрические кривые постоянных удельных эффективных расходов топлива (& = /(ре (Ме), и). При этом ор-

дината ре (или Ме) заменяется показателем удельной эффективной работы двигателя (¿уд) с использованием приведённых далее уравнений.

Работа дизеля при всех работающих (активных) цилиндрах (т.е. полноразмерного дизеля) характеризуется показателями Ме и ре. При этом, ре отражает как эффективность работы одного цилиндра, так и всего двигателя. Если часть цилиндров выключена (деактивирована), то эффективность одного активного цилиндра выражается величиной ре, но применить это ре для характеристики всего двигателя нельзя. Зато можно оценить работу всего двигателя, работающего на некотором количестве z активных цилиндров, выполняемой двигателем удельной работой (Lyд), т.е. полной выполняемой им работой, отнесённой к рабочему объёму активных (работающих, не выключенных) цилиндров.

Допустим, что режим полноразмерного дизеля задан через среднее эффективное давление ре [МПа]. Тогда

¿полн = 500-ре -i-Vh [Дж]. (1)

Для полноразмерного дизеля удельная работа равна

¿уд ~ 500 • ре [Дж/дм3]. (2)

Для дизеля с отключением цилиндров (ОЦ) или циклов, т.е. с числом активных цилиндров z, получаем:

¿уд = 500 -Pe-i-Vh /(z -Vh) = 500 -Pe-i/z [Дж/дм3]. (3) Универсальная характеристика дизеля КамАЗ - 7406 (8 ЧН 12/12) (Vh = 1,36 дм , /■ Vt, = 10,85 дм3) заимствована из публикаций и адаптирована к условиям проведения расчётов по предлагаемой методике. Адаптация выполнена как частичным интерполированием и экстраполированием параметров, так и прежде всего заменой шкалы ре на удельную работу (¿уд). В результате перестроения получена характеристика, которая и используется далее при реализации метода оценки экономичности и экологичности дизеля с отключаемыми цилиндрами.

Данный метод оценки экономичности проверен ранее с использованием опубликованных экспериментальных материалов фирмы BMW. Результат, полученный с помощью данной методики, отличается от экспериментального результата на ~10 %.

Разработана методика оценки токсичности выбросов дизеля, регулируемого отключением цилиндров и применением физико-химического регулирования (ФХР), т.е. регулирования дизеля изменением физико-химических и моторных свойств топлива. Одним из методов ФХР, с целью снижения дымности, токсичности и выбросов С02, является оперативная, т.е. во время работы двигателя, добавка к основному дизельному топливу например, сжиженного пропана - бутана топливного (СПБТ). Образующееся при этом смесевое топливо обладает пониженным относительным содержанием углерода, благодаря тому, что в молекуле СПБТ его доля снижена. Однако ввиду низкого цетанового числа такого топлива, его можно применять лишь на достаточно нагруженных режимах, т е при повышенных температурных условиях в цилиндре. Для повышения доли

СПБТ в топливе на режимах МН и XX следует применить отключение части цилиндров. Тогда оставшиеся в работе цилиндры работают с повышенной нагрузкой и в них можно применять смесевое газо - дизельное топливо.

Нередко существенное снижение дымности ОГ тем или иным методом, снижение выбросов С02 (повышение экономичности) сопровождается ростом концентрации в ОГ, например, оксидов азота. В этом случае для оценки суммарного эффекта по снижению вредности выбросов целесообразно воспользоваться показателем условной суммарной токсичности (Ку-тенёв В.Ф., Игнатович И.В. и др.). Последний представляет собой показатель, выраженный в единицах «вредности» компонентов ОГ. Единицей такой «вредности» является индекс токсичности К, - отношение концентрации данного компонента ОГ к его предельно допустимой среднесуточной концентрации (ПДКСС) в окружающей атмосфере. Таким образом, условные токсичности компонентов ОГ {СО, СН, NОх и С) определяются с учетом их индексов токсичности К[, Например, Ж?х = Кх • ЫОх, где ИОх -концентрация данного токсичного компонента в ОГ на данном режиме. СО' = 0,34 • СО; СН = 0,67 • СН; N0, = 25 • NОх; С' = 20 ■ С, где СО, СН, NОх и С - концентрации токсичных компонентов в ОГ (мг/м^). Суммарная условная токсичность двигателя определяется по соотношению: К £ = СО'+ СН'+ NО/+ С'.

При этом расчеты проводятся в соответствии с режимами работы двигателя, например, по 13™ ступенчатому испытательному циклу. Доля токсичности, Т,, вносимая каждым г'-ым компонентом ОГ в общую токсичность газов, определяется по соотношению: Г,= 102 • (г/А"х).

Методика оценки экологичности дизеля с отключением цилиндров использует универсальную характеристику, на которой нанесены параметрические кривые постоянных концентраций выбросов, например, оксидов азота (Илгеьс)

Рис. 2. Универсальная характеристика дизеля КамАЗ-7406 по концентрации оксидов азота в ОГ; (в качестве примера режимов выбраны режимы, показанные на рис. 5, т.е. те, которые разъясняют возможность повышения экономичности дизеля при отключении цилиндров).

С помощью предложенной системы отключения цилиндров и циклов ранее в экспериментальных исследованиях кафедрой дизеля КамАЗ-740 показано, что погрешность оценочного метода по универсальным характеристикам не превысила 12 %, что принято приемлемым для предварительных оценок.

1000 1400

1800 2200 П.МИН-1

В последующих формулах концентрации оксидов азота (WNOx), СО (WCo) и CH(Wch) приведены в ч.н.м. (р.р.т).

GNOx = 0,001587- fVmx-Gor [г/час]. (4)

Geo = 0,000966'Wco'Gor [г/час]. (5)

GCH = 0,000478- WCH-Gor [г/час]. (6)

(В соответствии с работой Кульчицкого А.Р.).

Для полноразмерного дизеля на режиме МН (Ме=80 Нм, п=-1000 мин"1): GT = gc-AV10"3= 350-8,4-10"3 = 1,94 кг/ч. (ge определяется из рис. 5). Got =GB+GT=i-Vhrjv-pe-/rl0'3-30+GT[Kr/4] = =8• 1,36-0,73• 1,24-1000-10"3'30+1,94=297 [кг/ч].

<W=0,001587-400-297=188 [г/ч]. gNOx=GNOl/Ne= 188/8,4=~22 [г/(кВТ-ч)].

Для случая работы с одним активным цилиндром получаем следующее.

GT = ge-JVe-W3 = 210-8,4-10"3 = 1,76 [кг/ч].

Gor = 1-1,36-0,73-1,24-1000-10_3-30+1,76=38,7 [кг/ч].

GNOx = 0,001587-1800-38,7= =111 г/ч. gNOx=GNO/Ne= 1 П/8,4=~13 [г/(кВгч)].

Информация о показателях выбросов СО и СН также берётся из универсальных характеристик (рис. 2 и др.), заимствованных из более ранних публикаций, и перестроенных в координаты удельной работы.

В четвёртой главе Приведены результаты расчётно - экспериментальных исследований возможности повышения экологических качеств дизеля типа Д-240 в условиях эксплуатации при регулировании его методом физико-химического регулирования и отключением цилиндров или циклов. При реализации 13-ти ступенчатого цикла применение системы отключения цилиндров или циклов позволяет снизить суммарную условную токсичность выбросов на величину до 23 %. А совместное применение физико -химического регулирования (добавкой СПБТ к ДТ) и отключения цилиндров снижает суммарную условную токсичность до 30 %. Газодкзеяь =49100

Тс-2,:

TC0.-3,S TCir-0,2

Газодизель с СОЦЦ Kz =45500

> I ^ ■

Л -VOr -93.6

ТС<-

с/г-о

T.VO' -89

Рис. 3. Показатели суммарной условной токсичности выбросов газодизеля (ГД) (на базе 4411/12,5)

при реализации 13-ти ступенчатого испытательного цикла и влияние применения системы отключения цилиндров или циклов (СОЦЦ) на суммар-- ную токсичность газодизеля (ГД с

СОЦЦ). Относительное уменьшение этой токсичности показано на рис. 4.

St-" »¿ч

о О

Ills60

Ё = S S+0 8 ¡£«20 о

° 100

Рис. 4. Относительные условные токсичности (КТ) разных модификаций двигателя (на базе 4411/12,5): 1 - дизель, 2

- дизель с системой отключения цилин-

дров или циклов (СОЦЦ), 3 - газодизель, 4 - газодизель с СОЦЦ.

В результате применения СОЦЦ при газодизельном процессе на режимах 0 - 50 % нагрузки соотношение суммарных условных токсичностей составило ГД : ГДсоцц = 100 : 93. Т.е. суммарная условная токсичность газодизеля, благодаря применению системы отключения цилиндров, снизилась на 7 %.

Выполнена оценка возможностей снижения удельных выбросов NOx СО, а также СН дизелем КамАЗ-7406 на режимах МН при его регулировании отключением цилиндров. Допустим, что дизель работает с разными частотами вращения с малой нагрузкой (Ме = 80 Нм, т.е. около 7 % от полной). Полная работа, совершаемая дизелем на этом режиме, равна Lnoш= 2-к-Ме= 2'7г80 = 502 Дж. Эту же работу дизель выполняет при числе активных цилиндров z = 6 или 4, или 2, или 1, т. е. когда рабочий объём двигателя уменьшен в соответствии с числом активных цилиндров и составляет z-Vh = 8,16; 5,44; 3,72 и 1,36 дм3 соответственно. Следовательно удельные работы дизеля с разным числом активных цилиндров составят: при z = 6: ¿уд6 = 502/8,16 = 61,5; при z = 4: ¿,уд4 = 502/5,44 = 92,3; при z = 2: 1уд2 = 502/2,72 = 184,6; при z = 1: Ly¿, = 502/1,36 = 369,1 Дж/дм\ Тогда с использованием универсальной характеристики, перестроенной в координатах ¿Уд - п (рис. 5) получаем удельные расходы дизеля при разном числе активных цилиндров (и следовательно при разной удельной работе двигателя), а также относительные выигрыши в расходе топлива (Ag,,), определяемые по соотношению í\gé=[{gei-gez)ige¿\ -100% (7)

Рис. 5. Универсальная характеристика дизеля КамАЗ - 7406 (8 ЧН 12/12), перестроенная в координаты Lya - п: о - режимы работы дизеля с числом активных цилиндров z = 8 цил., 6 цил., 4 цил., 2 цил. и z = 1 цил. при одинаковой малой нагрузке менее 10 % от полной и при п = 1000 мин"1.

Рис. б. Влияние отключения цилиндров на экономность и токсичность по оксидам азота дизеля КамАЗ - 7406 при работе на режимах малой нагрузки Ne =27,8 кВт (14,6 % от ВСХ) и Л'е=40,9 кВт (21,5 % от ВСХ) при п = 1800 мин"1: z — число активных цилиндров; WNOx - концентрация оксидов азота в ОГ работающих (активных) цилиндрах, ppm; ge - удельный эффективный расход топлива, кг/(кВт ч); GT - часовой расход топлива, кг/ч; G0г - часовой расход отработавших газов (из активных цилиндров), кг/ч; GNOx - часовой выброс оксидов азота, г/ч; gNOx - удельный выброс оксидов азота, г/(кВтч).

Щ'Ох, 1400 р.р. т.

1200

Ag"NOx = 9,4(5 -(z/2))- 8,5

Л gNOx = 15,5(5-(z/2) RA2 = 0.9644

R Л2 = 0,9906

U3Age,7% C3Ag'e,14,6% EBA"ge,21,5% ES A"'ge28,4,% AgNOx,% Ag'NOx,% Ag"NOx,% Ag"'NOx,%

8 6 4 2 1 Количество активных цилиндров, z

A g'NOx= 9,9(5-(z/2))-ЛЛ 2= 0,9374

10

Рис.7. Относительные выигрыши в удельных расходах топлива (/ige) и в удельных выбросах оксидов азота (AgNOx) при реализации исходных режимов малых нагрузок (7%, 14,6%, 21,5%, 28,4% от значений мощности на ВСХ) при «=1800 мин"1 при разном числе (г) активных цилиндров.

На рис. 7 нанесены также уравнения, аппроксимирующие тенденции изменения удельных выбросов оксидов азота при отключении части цилиндров. Видно, что при нагрузке порядка 7 % (от значений по ВСХ) работой на двух активных цилиндрах можно ожидать снижения удельных выбросов оксидов азота и удельного расхода топлива на -50 и -35 % соответственно. При исходной нагрузке порядка 14,6 % выигрыши в удельных выбросах оксидов азота и удельных расходов топлива при работе на двух активных цилиндрах снижаются соответственно до - 30 и - 34 %. При нагрузке 21,5 % экономичность дизеля с отключением цилиндров можно повысить на - 26 %, а удельные выбросы оксидов азота снизить на - 29 %.

На режимах с повышением нагрузки сверх -25 % дизель может работать не менее, чем на четырёх цилиндрах с выигрышем по оксидам азота около 10 %, что практически не имеет смысла.

Проведены расчёты выбросов СО при разных нагрузках и разных частотах вращения. Пример показан на рис. 8. Видно, что характер протекания кривой изменения концентрации СО существенно отличается от аналогичной кривой для оксидов азота. В данном случае при отключении цилиндров происходит снижение концентрации СО. А поскольку часовые расходы ОГ также снижают- %со,

ся, то и происходит более ин- 251-1—1-----——

тенсивное уменьшение Г;|кВтч)

удельных выбросов СО. Рис.8. Влияние отключения цилиндров на удельную экономичность и удельную токсичность по оксидам углерода дизеля КамАЗ - 7406 при работе на режиме малой нагрузки Ые =8,3 кВт (7 % от значения на ВСХ) при п = 1000 мин'1: 2 — число активных цилиндров; УУсо - концентрация оксидов углерода в ОГ работающих (активных) цилиндрах, ррт; (остальные обозначения см. на рис. 6).

Сравнение относительных выигрышей в расходе топлива и в выбросах СО показано на рис. 9, как один из примеров. Рис. 9. Относительные выигрыши в удельных расходах топлива (Age) и в удельных выбросах оксидов углерода (Дgoo) при реализации исходных режимов малых нагрузок (7%,

Geo,

200

г/ч

150

100

50

0

Gт, Wco,

3.0 600

кг/ч ррт.

2,5 500

2.0 400

1.5 300

200

0 z

gco = 24,8(5-(z/2) - 21,8 R Л2 = 0,9792

15 10 5 0

8 6 4 2 1 , Количество активных цилиндров, z

'со = 29,9(5-(z /2)) -26,5 Ял2 = 0,981

140 120 100 80 60 40 20 0

ЕЯ J "ge ЕMA"'ge

AgCO,% -*-Ag'CO,% +Ag"CO,% --Ag"'CO,%

:"co = 19,8(5-(z/2)) ■ RA2 = 0,6629

14,6%, 21,5%, 28,4% от значений мощности на ВСХ) при >7=1 ООО мин 1 при разном числе (г) активных цилиндров.

Здесь же показаны аппроксимирующие уравнения зависимости удельных выбросов СО от числа активных цилиндров. Далее они используются для обобщающих построений характеристик в трёхмерном изображении.

Пример результатов расчётов по выбросам углеводородов показан на рис. 10.

кгДкВтч) 4:

г/(кВтч> " 0.40

Рис.10. Влияние отключения цилиндров на удельную экономичность и удельную токсичность по углеводородам ОСН) дизеля КамАЗ - 7406 при работе на режиме малой нагрузки Ые =8,3 кВт (7 % от значения на ВСХ) при п = 1000 мин"1: г - число активных цилиндров; 1¥сн - концентрация углеводородов в ОГ работающих (активных) цилиндрах, ррт', (остальные обозначения см. на рис. 6).

Остальные случаи с вариированием частоты и нагрузки в графическом виде не при-а обоб-

графика-11 и да-

гся

- 420

КГ/Ч р.р.т.

3,0 380

2,5 340

2,0

1 5

0 7

50 40 30

^ 20 10

Л

1_

£

100

80 1-4,6 %

ИА>,21.5 %

бо Ч ШД"&е28.4 %

£ о 40 ¿с <1 ёСН,%

20 -*-Д ё"СН,% —-Д ¿"СН,%

0

водятся, щаются ми рис. лее.

1 г

Рис. 11. Относительные выигрыши в удельных расходах топлива (Д&) и в удель-

ных выбросах углеводородов (А^сн) при реализации исходных режимов малых нагрузок (7%, 14,6%, 21,5%, 28,4% от значений мощности на ВСХ) при «=1000 мин"1 при разном числе (г) активных цилиндров.

Полученные характеристики изменения удельных выбросов СН для их обобщения также аппроксимируются линейными зависимостями, которые с достаточной точностью отражают количественные показатели и упрощают дальнейший анализ выбросов.

Agcн = 22,6-(5-(г/2))-П,6% Д"=0,9844.

(8)

Ag'CH = 25,9-(5-(z/2)) — 25%. R2=0,9992. (9)

Ag"CH = 23-(5-(z/2))-2l%. 7^=0,9888. (10)

Ag"'CH = 47,5-(5-(z/2))-49,333%. F?=0,9956. (11)

Рис. 12. Относительное уменьшение удельных выбросов МОх (Ag^'Ox) в зависимости от числа активных цилиндров (г) при разном уровне нагрузки (%) двигателя КамАЗ-7406 при частоте вращения вала 1400 мин"1.

Гистограммы показывают закономерное возрастание эффективности снижения выбросов оксидов азота при уменьшении числа активных цилиндров. Повышение уровня малой нагрузки естественно снижает эффект применения метода отключения цилиндров. Эффект практически пропадает при величине малой нагрузки 28 %. При этом относительная эффективность снижения удельного расхода топлива оказывается близкой к такому же показателю по ЫОх. Однако, даже при нагрузке 28 % возможно ожидать повышения экономичности даже работы на четырёх или шести

' 14 21 Нагрузка, %

Аge,% ASKOx< 45^=1000 40 J мин-1 35'

&NOx

цилиндрах (рис. 13).

Рис. 13. Сравнение относительных выигрышей в расходе топлива (Age, %) и в выбросах NOx (AgNOx, %) при применении отключения цилиндров: z - число активных цилиндров

Видно, что эффект повышения экономичности и экологичности возрастает с уменьшением исходной малой нагрузки и с уменьшением числа активных

цилиндров. При нагрузках 14 % и выше возможность работы на одном цилиндре пропадает. При нагрузке 28 % невозможна работа даже на двух цилиндрах.

Представляет интерес сравнение эффективности метода отключения цилиндров для снижения выбросов СО и снижения расхода топлива (рис. 14). Видно, что метод существенно более эффективен в части снижения выбросов СО, чем в части снижения расхода топлива.

6 g оо '"'Нагрузка, %

0/0 Рис. 14. Сравнение отно-

сительных выигрышей в расходе топлива (Age, %) и в выбросах СО (AgCO, %) при применении отключения цилиндров: z - число активных цилиндров

Видно, что эффект повышения экономичности и экологичности возрастает с уменьшением исходной малой нагрузки и с умень-1 2 4 шением числа активных ци-

6 8 z линдров. При нагрузках 14

% и выше возможности работы на одном цилиндре пропадают. При нагрузке 28 % невозможна работа даже на двух цилиндрах.

Влияние частоты вращения вала на выброс токсичных компонентов при постоянстве числа активных цилиндров.

По результатам расчётно-экспериментального анализа проведено также выявление влияния частоты вращения вала на эффективность метода отключения цилиндров (рис. 15).

Рис. 15. Влияние частоты вращения вала на изменение выигрышей в удельных выбросах NOx при работе дизеля КамАЗ-7406 на шести активных цилиндрах при разных уровнях малой нагрузки.

При разных час-

2200 1800

¡400 тотах вращения отно-

сительное снижение выбросов ,\'Ох уменьшается с возрастанием исходного уровня малой нагрузки. При номинальной частоте вращения и работе с минимальной (7 %) нагрузкой, т.е. вблизи режима холостого хода, уменьшение числа активных цилиндров (от 6 до 2) приводит к росту выигрышей в выбросах ;\'Ох от ~ 20 до ~ 50 %. При работе на минимальной частоте вращения (1000 мин"1) и минимальной (7 %) нагрузке отключение двух, четырёх или шести цилиндров приводит к росту выигрыша в выбросах ИОх соответственно на -10, -25 и -35 %.

По результатам исследования сделаны следующие выводы.

AgNOx,% 1

п, 1/мин

14

Нагрузка, %

Общие выводы.

1. Проведённое исследование подтвердило возможности повышения экономичности и снижения токсичности режимов малых нагрузок дизелей типа КамАЗ-7406 и Д - 240 методами изменения рабочих объёмов отключением части цилиндров или циклов, путём выключения подачи топлива в отключаемые цилиндры.

2. Выбрана конструкция элементов модернизации топливной аппаратуры дизелей типа КамАЗ и Д-240 и проведена модернизация топливной аппаратуры разделённого типа, обеспечивающая отключение подачи топлива в цилиндр или группу цилиндров на время, вплоть до времени одного цикла, причём, во всём диапазоне возможных частот вращения.

3. Выбрана конструкция системы ввода в дизельное топливо вблизи форсунки добавки пропана-бутана топливного и реализована на дизеле типа Д-240 с топливной аппаратурой разделённого типа.

4. Разработана методика расчётно-экспериментального определения выбросов основных токсичных компонентов с отработавшими газами дизеля КамАЗ - 7406 при применении метода отключения цилиндров. Методика основана на использовании экспериментальных универсальных характеристик дизеля по показателям экономичности и токсичности, перестроенных в показатели удельной работы дизеля при реализации данного режима.

5. Показано, что методом отключения цилиндров дизеля КамАЗ 7406 (8 ЧН 12/12) на режимах малых нагрузок, ниже 30 %, возможно достигнуть снижения удельных выбросов оксидов азота на —10 - 30 %, а на повышенных частотах вращения - до ~ 50 - 55 %; оксидов углерода - на ~ 20 - 80 %, углеводородов - на - 30 - 80 %. При этом снижение расходов топлива может составить - 15-35 % по сравнению с расходом топлива полноразмерного дизеля на тех же режимах.

6. Метод «физико-химического» регулирования дизеля 4 Ч 11/12,5 добавкой к основному топливу пропана-бутана в сочетании с методом отключения цилиндров обеспечивает снижение суммарной условной токсичности выбросов дизеля на величину до ~ 30 %.

7. Наибольшие экологические и экономические эффекты достигаются при отключении четырёх - шести цилиндров дизеля типа КамАЗ-7406, т.е. при работе дизеля на четырёх — двух активных цилиндрах.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах. Статьи.

1. Патрахальцев H.H., Петруня И.А., Анопшна Т.С. Снижение путевого расхода топлива автомобилем с дизелем типа ЯМЗ-238 путём изменения рабочего объёма двигателя (статья) // Грузовик. - 2014. - № 8. - С. 16 - 19.

2. Снижение токсичности газо-дизеля, регулируемого изменением рабочего объёма / Патрахальцев H.H., Аношина Т.С., Камышников Р.О., Сава-стенко Э.А. // АвтоГазоЗаправочный Комплекс+Альтернативное топливо. -2014.-№ 4 (85). - С. 3 - 7.

3. Регулирование дизеля типа ЯМЭ-238 отключением цилиндров при разных режимах эксплуатации / Н.Н. Патрахальцев, P.O. Камышников, Т.С. Аношина, Д.С. Скрипник. II Строительные и дорожные машины.- 2014 -№ 9. - С. 28-31.

4. Анализ возможности снижения расхода топлива и токсичности выбросов дизеля на режимах малых нагрузок (статья) /Н.Н. Патрахальцев, А.А. Савастенко, Т.С. Аношина, P.O. Камышников. // Транспорт на альтернативном топливе. -2014. - № 6. - С. 6 - 9.

Тезисы доклада.

5. Патрахальцев Н.Н.; Савастенко А.А.; Аношина Т.С. Регулирование двигателя изменением его рабочего объёма (Тезисы доклада) // 88-ой Всерос-сийск. науч.-технич. семинар по автоматич. управл. ирегулир. теплоэнер-гетич. установок им. проф. В.И. Крутова. МГТУ им. Н.Э. Баумана. «Тенденции развития систем автоматического управления и регулирования теплотехнических установок». Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. - Сер.: «Машиностроение». - 2014. - № 1. - С. 114.

Аношина Татьяна Сергеевна ПОВЫШЕНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКИХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ КАЧЕСТВ ТРАНСПОРТНОГО ДИЗЕЛЯ ПРИ РАБОТЕ НА РЕЖИМАХ МАЛЫХ НАГРУЗОК И ХОЛОСТЫХ ХОДОВ Приводятся результаты анализа возможности снижения расхода топлива и токсичности выбросов дизелей 8 ЧН 12/12 и 4 411/12,5 на режимах малых нагрузок путём отключения части цилиндров или циклов. Анализ основан на использовании методики оценки показателей дизеля на основе экспериментальных универсальных характеристик по показателям экономичности и токсичности.

Anoshina Tatyana Sergeevna

RISING OF ECONOMY AND ECOLOGY QUALITIES OF TRANSPORT'S DIESEL DURING LIGHT LOADS REGIMES There presented some results of analysis of opportunities to reduce the fuel consumption and emissions of diesels 8 ЧН12/12 and 4 411/12,4 at light-load operation by disconnection of some cylinders or cycles. The analysis is based on use of method of calculation with using of experimental universal characteristics of economy and emissions.

Подписано в печать 18.11.2014г. Формат 60x84/16. Печать офсетная. Бумага офсегаая. Гарнитура Тайме.

Усл. печ. л. 1,25 Тираж 100 экз. Заказ 1604._

Российский университет дружбы народов

_115419, ГСП-1, г. Москва, ул. Орджоникидзе, д. 3_

Типография РУДН 115419, ГСП-1, г. Москва, ул. Орджоникидзе, д. 3, тел. 952-04-41