автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Разработка методики оценки эффективности использования смесевых углеводородных видов топлива в тепловозных дизелях

На правах рукописи

ОО&иэ! —

ГРИШИНА Юлия Борисовна

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СМЕСЕВЫХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ВИДОВ ТОПЛИВА В ТЕПЛОВОЗНЫХ ДИЗЕЛЯХ

Специальность 05.22.07 - «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 3.ДЕК 2012

ОМСК 2012

005057307

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС (ОмИИТ))».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор СКОВОРОДНИКОВ Евгений Иванович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор КОСМОДАМИАНСКИЙ Андрей Сергеевич -заведующий кафедрой «Тяговый подвижной состав», РОАТ ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения»;

кандидат технических наук, доцент

ОВСЯННИКОВ Виталий Васильевич - доцент кафедры «Теплоэнергетика», ФГБОУ ВПО «Омский государственный университет путей сообщения».

Ведущая организация:

федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Дальневосточный государственный университет путей сообщения» (ДВГУПС)».

Защита диссертации состоится 21 декабря 2012 г. в 09.00 часов на заседании диссертационного совета Д 218.007.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС (ОмИИТ)» по адресу: 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35, ауд. 219.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан 20 ноября 2012 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета Д 218.007.01. Тел./факс: (3812) 31-13-44; e-mail: nauka@omgups.ru

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук,

профессор

О. А. Сидоров.

© Омский гос. университет путей сообщения, 2012

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время в связи с проблемой экономии энергоресурсов, получаемых из нефти, ведутся исследования в области поиска новых альтернативных видов топлива для силовых энергетических установок. Сейчас возможности увеличения ресурсов дизельного топлива за счет переработки нефтяного сырья ограничены, поэтому очевиден повышенный интерес к применению в дизелях новых альтернативных видов топлива, использование которых не приведет к изменению технического состояния энергетических установок и к ухудшению их технических и экономических характеристик.

Конвертирование серийных дизельных двигателей для работы на альтернативных смесевых видах топлива потребует проведения теоретических исследований с последующим решением различных оптимизационных задач как по составу смесевых видов топлива, так и по организации рабочего цикла дизеля при их использовании.

Проблемы, связанные с использованием смесевых видов топлива в тепловозных энергетических установках, позволили сформулировать цель диссертационной работы и наметить перечень задач, решение которых необходимо для достижения поставленной цели.

Цель диссертационной работы - разработка математических моделей и методов для комплексной оценки эффективности использования смесевых углеводородных видов топлива в тепловозных дизелях.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи.

1. Выполнен анализ методов, технических решений и перспектив использования смесевых углеводородных видов топлива в транспортных двигателях большой агрегатной мощности.

2. Предложена математическая модель для расчета элементарного состава, физико-химических и теплофизических характеристик смесевых углеводородных видов топлива при различном количестве альтернативной добавки к дизельному топливу среднего элементарного состава по ГОСТ 305-82.

3. Разработана математическая модель для расчета термодинамических параметров топливно-воздушной смеси в характерных точках рабочего цикла

дизеля, учитывающая изменение элементарного состава, физико-химических и теплофизических характеристик топливной смеси и состав рабочего тела.

4. Созданы методика и математическая модель для расчета термодинамических параметров рабочего цикла дизеля, формирования теоретической индикаторной диаграммы, оценки индикаторных, эффективных, экономических и динамических показателей цикла при использовании смесевых углеводородных видов топлива различного элементарно-химического состава.

5. Обосновано использование композиционного ортогонального планирования двухфакторного эксперимента со звездными точками для оценки вида и оптимального состава топливной смеси и момента ее подачи в цилиндр для заданного значения агрегатной мощности дизеля.

6. Выбран параметр оптимизации и разработана имитационная модель, позволяющие сформировать значения функции отклика для выбранного плана испытаний и заданного диапазона изменения независимых факторов.

7. Обоснован метод комплексной оценки технико-экономической эффективности использования в тепловозных дизелях смесевых углеводородных видов топлива по обобщенному критерию эффективности с учетом эксплуатационных режимов работы.

Методы исследования. При проведении теоретических исследований использовались методы численного решения систем уравнений; методы ЦНИИДИ, И. И. Вибе и Гриневецкого - Мазинга для формирования параметров индикаторной диаграммы рабочего цикла дизельных двигателей для различных параметров нагрузки; методы планирования эксперимента, критерии для оценки значимости коэффициентов регрессии функции отклика и адекватности математических моделей; методы математической статистики и метод свертки при технико-экономической оценке эффективности использования смесевых углеводородных видов топлива.

Теоретические исследования выполнены с использованием компьютерных программ, реализующих разработанные в диссертационной работе модели. Программы подготовлены в среде программирования Turbo Pascal 7.0. Диссертация оформлена с использование пакета программ Office 2007.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем.

1. Разработаны математические модели для оценки элементарного состава, физико-химических и теплофизических характеристик различных смесевых углеводородных видов топлива.

2. Предложена методика и рассчитаны теоретические характеристики представляющие изменение физико-химических и теплофизических параметров рабочего тела в зависимости от его элементарного состава и температуры рабочей смеси в цилиндре дизеля.

3. Создана математическая модель для формирования параметров индикаторной диаграммы, расчета индикаторных и эффективных показателей рабочего цикла с учетом вида используемого топлива, параметров настройки и эксплуатационных режимов работы тепловозного дизеля.

4. Предложена методика, позволяющая корректировать параметры закона выгорания смесевых углеводородных видов топлива в цилиндре дизеля с учетом элементарно-химического состава топливной смеси, угла опережения подачи дизельного топлива "и эксплуатационных режимов работы тепловоза.

5. Обосновано использование композиционного ортогонального планирования двухфакторного эксперимента со звездными точками для оценки вида и оптимального состава топливной смеси и момента ее подачи в цилиндр дизеля для заданных значений агрегатной мощности дизеля и частоты вращения коленчатого вала.

6. Выбран параметр оптимизации и разработана имитационная модель, позволяющие сформировать значения функции отклика для выбранного плана испытаний и заданного диапазона изменения независимых факторов, определены значения независимых факторов для каждого вида топливной смеси, обеспечивающие максимально возможные значения среднего эффективного давления рабочего цикла и соответствующие ему значения удельного расхода топливной смеси.

7. Обоснован метод, позволивший выполнить комплексную оценку технико-экономической эффективности использования в транспортных двигателях смесевых углеводородных видов топлива по обобщенному критерию эффективности с учетом эксплуатационных режимов работы энергетической установки тепловоза.

Положения, выносимые на защиту.

1. Математические модели для оценки элементарного состава, физико-химических и теплофизических характеристик смесевых углеводородных видов топлива.

2. Методы построения характеристик, представляющих изменение средней мольной и массовой теплоемкости топливно-воздушной смеси в зависимости от ее элементарного состава и температуры в цилиндре дизеля.

3. Математические модели для расчета термодинамических параметров рабочего тела в характерных точках цикла, параметров индикаторной диаграммы, индикаторных и эффективных показателей рабочего цикла дизеля, работающего на смесевых углеводородных видах топлива.

4. Методика и алгоритм для корректировки параметров закона выгорания смесевых видов топлива в цилиндре дизеля с учетом вида топлива, параметров процесса топливоподачи и эксплуатационных режимов работы тепловоза.

5. Математическая модель для оценки оптимального количества альтернативной добавки в составе топливной смеси и угла опережения подачи, обеспечивающих минимум расхода топлива для заданного уровня среднего эффективного давления.

6. Методика комплексной оценки технико-экономической эффективности использования смесевых видов топлива в энергетических установках тепловозов с учетом эксплуатационных режимов их работы.

Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы обоснована теоретически и подтверждается сравнением

расчетных значений среднего эффективного давления рабочего цикла дизеля с экспериментальными данными, полученными при испытании тепловозов, отклонения не превышают 7 % с учетом класса точности приборов, используемых на испытательных стендах;

максимальных значений термодинамических параметров рабочего цикла, рассчитанных по математической модели, с результатами полных реостатных испытаний, выполненных с использованием современных систем диагностирования «Магистраль», «АЛМАЗ», «КИПАРИС», «АРАМИС», расхождение не превышает 8 %.

Практическая ценность диссертации заключается в разработке теоретических положений, методик, алгоритмов и программ, которые могут быть использованы

в научно-исследовательских и проектных организациях, занимающихся вопросами расчета и проектирования систем топливоподачи «всеядных» дизельных двигателей, разработкой технических и технологических решений, на-

правленных на улучшение эксплуатационных технико-экономических характеристик тепловозных дизелей серийных конструкций;

в транспортных вузах при изучении конструкции, принципа работы, методов расчета параметров рабочего цикла дизелей, работающих на смесевых видах углеводородного топлива; для расчета индикаторных, эффективных, экономических эксплуатационных характеристик «всеядных» транспортных энергетических установок; для оценки суммарной токсичности отработавших газов дизельных двигателей, работающих на альтернативных видах топлива.

Реализация результатов работы. Результаты работы приняты к внедрению в ОАО «Научно-исследовательский институт технологии, контроля и диагностики железнодорожного транспорта (НИИТКД)», в ООО «Научно-производственный центр «Кипарис Т» для совершенствования программного сопровождения контрольно-диагностических комплексов для оценки и прогнозирования технического состояния основного и вспомогательного оборудования дизельного подвижного состава.

Личный вклад соискателя. Анализ состояния вопроса по теме диссертационной работы, формирование цели диссертационной работы и задач исследования. Разработка математических моделей для оценки элементарного состава топливной смеси; характеристик, представляющих изменение теплофизи-ческих характеристик смесевых углеводородных видов топлива в зависимости от элементарного состава и температуры рабочего тела; термодинамических параметров топливно-воздушпой смеси в характерных точках рабочего цикла дизеля, учитывающих изменение физико-химических, теплофизических характеристик топливной смеси и состава рабочего тела в цилиндре двигателя; термодинамических параметров рабочего цикла дизеля, формирования теоретической индикаторной диаграммы, индикаторных, эффективных, экономических и динамических показателей цикла при использовании смесевых углеводородных видов топлива различного элементарно-химического состава; возможности использования композиционного ортогонального планирования двухфакторного эксперимента со звездными точками для оптимизации состава топливной смеси и момента ее подачи в цилиндр для заданного значения агрегатной мощности дизеля с использованием ортогонального композиционного планирования эксперимента; технико-экономической эффективности использования в тепловозных дизелях смесевых углеводородных видов топлива по обобщенному крите-

рию эффективности. Основные научные положения и результаты, изложенные в диссертации, получены автором самостоятельно.

Апробация работы. Основные результаты работы по теме диссертации докладывались и обсуждались на всероссийской научно-технической конференции «Транспорт-2009» (Ростов-на-Дону, 2009), на международной научно-практической конференции «Проблемы транспорта Дальнего Востока» (Владивосток, 2009), на научно-технической конференции «Инновационные проекты и новые технологии на железнодорожном транспорте» (Омск, 2009), на научно-практической конференции с международным участием «Инновации для транспорта» (Омск, 2010, 2012).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, в том числе шесть - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения с выводами, списка использованной литературы из 73 наименований, изложена на 201 страницах текста, содержит 33 таблицы и 24 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана необходимость экономии органических видов топлива, определены направления исследований в области поиска методов использования новых альтернативных видов топлива для энергетических установок, обоснована актуальность темы диссертационной работы.

В первой главе выполнен анализ состояния вопроса по теме диссертационной работы. Указано, что основными причинами конвертирования дизельных двигателей для работы на смесевых видах углеводородного топлива являются увеличение спроса на органические виды энергоресурсов; уменьшение мировых запасов нефти и газа; ухудшение экологического состояния окружающей среды, связанное с объемами потребления органических видов топлива.

Анализ технической литературы по теме диссертационной работы показал, что в настоящее время отсутствуют какие-либо теоретические исследования, позволяющие оценить технико-экономическую эффективность использования смесевых углеводородных видов топлива для серийных конструкций дизельных двигателей, что позволило сформулировать цель диссертационной работы и наметить задачи, решение которых необходимо для достижения поставленной цели.

Во второй главе представлены методики определения элементарного состава, физико-химических и теплофизических характеристик смесевых углеводородных видов топлива с учетом вида и количества альтернативной добавки к дизельному топливу среднего элементарного состава по ГОСТ 305-82.

В качестве объекта исследования в диссертационной работе выбрано четыре смесевых вида топлива: это смесь дизельного топлива с парами воды, отработавшими газами дизеля, биотопливом состава 87 % СН4 и 13 % С02, биотопливом состава 50 % СН4 и 50 % С02 , природным газом состава 100 % СН4. Количество добавки к дизельному топливу составляло 5, 10, 15 и 20 %.

Разработка математических моделей для теоретического описания изменения элементарного состава, физико-химических и теплофизических свойств смесевых видов топлива позволит значительно сократить время на разработку новых видов альтернативного топлива, оптимизировать рабочий цикл двигателя по тепловым, динамическим, экономическим и экологическим характеристикам во всем возможном диапазоне эксплуатационных нагрузочных режимов. Для смесевых видов топлива элементарный состав, молярная масса и газовая постоянная определяются, как для смеси однородных газов, состоящих из паров топлива, воздуха и паров альтернативной добавки.

Приведена методика, позволяющая оценить теплоту сгорания топливной смеси, величину теоретически необходимого количество воздуха для сгорания единицы топливной смеси с учетом затрат тепловой энергии на тепловую диссоциацию альтернативной добавки.

Выполненные модельные расчеты показали, что практически для всех смесевых видов топлива увеличение количества альтернативной добавки приведет к снижению теплоты сгорания топливной смеси. При сохранении цикловой подачи воздуха в цилиндр дизеля увеличится коэффициент избытка воздуха для сгорания, что приведет к повышению полноты сгорания топлива, к снижению суммарной токсичности отработавших газов дизеля.

Построение двухфакторных характеристик, представляющих изменение средней мольной теплоемкости рабочей смеси в зависимости от элементарного состава и от температуры выполнено с использованием теории планирования эксперимента.

Функция отклика для всех анализируемых видов смесевого топлива записана в виде:

с(иСМ) =а0 + щХ1 + а2Х2 + а3Х,Х2, (!)

где ХЪХ2- соответственно, доля альтернативной добавки (ф какого-либо вида к дизельному топливу и температура рабочего тела (Т), записанные в кодированных переменных; а0, аъ а2, аъ - коэффициенты регрессии функции отклика.

По результатам планирования эксперимента построены зависимости средней массовой и средней мольной теплоемкости для смесей: воздуха и природного газа; воздуха и чистых продуктов сгорания; воздуха и водяных паров; воздуха и биотоплива состава 0,87СН4+0,13С02; воздуха и биотоплива состава: 0,50СН4+0,50С02.

При выполнении теплового расчета двигателя внутреннего сгорания оценивается величина средней мольной изохорной и изобарной теплоемкости рабочей смеси и продуктов сгорания в рассматриваемый момент рабочего цикла с использованием выражения

г (164 Ах + /г )С»г) + + Гг)-(Лс-Гг )Нв> _ „ , (2)

"= а(1 + Гг) +0,064Ах

где С„г), с'^ - соответственно средняя мольная теплоемкость чистых продуктов сгорания и сухого воздуха, кДж/(кмоль-К); Тс - текущая температура рабочего тела в процессе сжатия, К; Ах - доля сгоревшего топлива на линии сжатия; уг - коэффициент остаточных газов; а - коэффициент избытка воздуха для сгорания топлива.

Для процесса сжатия, когда доля сгоревшего топлива равна пулю (Дх = =0), уравнение (2) представляется в виде: С« = а^ + ЬСТС; для процесса видимого сгорания, когда доля сгоревшего топлива Ах = 0,999 - уравнением С1Я=аи1+ Ь2Т,; для процесса расширения, когда Дх = 1,0 - уравнением С1]Ь=аиЬ+ЪъТъ. Коэффициенты регрессии приведенных уравнений определяются для каждого момента рабочего цикла дизеля по соответствующим выражениям:

а =---(агг +с3а-с4Ы + с5ас12 +с3ссуг -

а(1 + уг) (3)

-с4аугс1 + с5аугс1 +с3уг + с4угс1-с5угс1 );

1 2

bc = —---(c2yr +c6a- c7ad - c8ad + c6ayr -

a(l + yK) (4)

2 2 -c7ayrd -c8ay,.d -c6yr+c7yrd + c8yrd );

avz = —-1 nf.£J „ (1,064c i Ax + c,yr + с ¡a - c4ad +

a(l + yr)+ 0,064Ax

2 2 2 (5) + c¡ad + c3ayr - c4ayrd + c¡ayrd -c3Ax + c4dAx-c¡d Ax-

2

-c3y,.+c4yrd-c5yrd );

(6)

bz = —--1 ЛЛ/С, , (c27r + c6a + C7y,.d - с gad2 + c6ayr - c7ad -

a(l + yr) + 0,064Ax

2 2 2 -cgayrd +C(¡Ax + c7d<Ax + cgd Ax + c¿yrd + c7ayrd + c8yrd );

«ob = —-/ пп<ил (1,064c¡Ax + c3yr + c3a - c4ad +

a(l + yr) + 0,064Ax

+ c¡ad + c3ayr - c4ayrd + c$ayrd2 - c3Ax + c4dAx - c¡d2 Ax - ^

2

~c3yr+c4yrd-c5yrd );

h = —--V77T^7T(].°64c2^x + c2yr + c6a + c7y,.d -

а(1 + Уг) + 0.064Ax

2 2 2 ГЮ

-egad +c6ayr-c7ad-c8ayrd + c¿Ax + c7dAx + cgd Ax +

2

+ c6dyr + c7ayrd + cgd yr ).

Приведенные уравнения (3) - (8) позволяют оценить интенсивность теплообмена между рабочим телом и деталями двигателя в процессе сгорания, если полагать, что доля сгоревшего топлива зависит от продолжительности сгорания, т. е. если предположить, что Ах = var и распределена по какому-либо известному закону выгорания.

В выражениях (3) - (8) эмпирические коэффициенты сь с2, с3, ..., с7, с8 рассчитаны для всех исследуемых видов топлива; a, yr, d, Ах— параметры работы дизеля. Аналитические уравнения (3) - (8) использованы в математической модели для расчета термодинамических параметров процессов сжатия, сгорания и расширения.

В третьей главе представлена разработанная математическая модель для расчета термодинамических параметров рабочего тела по рабочим процессам,

формирования индикаторной диаграммы, расчета индикаторных и эффективных показателей цикла дизеля, работающего на различных видах смесевого углеводородного топлива.

В основу математической модели положены уравнение материального баланса рабочего цикла; уравнение, характеризующее скорость изменения количества чистого воздуха в цилиндре двигателя за счет газообмена; уравнение, характеризующее скорость изменения количества продуктов сгорания в результате выгорания топлива; уравнение состояния газов в цилиндре двигателя для произвольного момента времени. Параметры рабочего тела в процессе выгорания топлива рассчитаны по методу Вибе.

Давление и температура рабочего тела в цилиндре дизеля при выгорании топлива последовательно рассчитываются для каждого угла поворота коленчатого вала; предполагается, что параметры конца сгорания для 1-го угла поворота коленчатого вала соответствуют параметрам начала сгорания для (1+1)-го угла.

Для всех видов смесевого топлива давление и температура газов в конце каждого элементарного участка процесса сгорания определяются по выражениям:

0,0854--^уу--ЛХ1-(М) + ^¡.(м^ - К/+7)

р (1 + Гг№о +* ___; (9)

1+1 " кнму,+1-у,

_7)Р1+, 1 + 0,5 [(е-1)а(<рм)] '+1 РфНМ) 1 + 0,5[(е-1)СТ(Щ)] '

где Ни - теплота сгорания топлива; коэффициент использования теплоты в процессе сгорания; ¿д- теоретически необходимое количество воздуха для сгорания единицы топлива; АХ^+и ~ Доля топлива, сгоревшего на участке (щ-(рм)\ Рь Рм - давление в начале и в конце элементарного участка; Кг-(,+1) - отношение средних теплоемкостей рабочего тела на участке; 7), Т1+1 -температура в начале и в конце участка; V,, У,+, - объем цилиндра в начале и в конце элементарного участка; - химический коэффициент молекуляр-

ного изменения.

Текущее значение доли выгоревшего топлива в камере сгорания для каждого момента сгорания представляется в виде:

ЛХ/:

(/ + 1)-/ = еХР

1п(1-гг)

<Рг )

т+1

-ехр

<Рг.

чт+1

(И)

где - доля сгоревшего топлива; - продолжительность процесса сгорания для заданного режима работы; (р, - угол поворота коленчатого вала, соответствующий началу и концу элементарного участка сгорания; ш - показатель сгорания.

Текущий объем цилиндра определяется с учетом кинематических характеристик кривошипно-шатунного механизма и конструктивных параметров двигателя. Для момента начала сгорания топлива объем цилиндра определялся учетом угла опережения подачи топлива и периода задержки воспламенения топлива, величина которого вычисляется по формуле В. С. Семенова.

По результатам выполненных расчетов величина работы газов, среднее эффективное давление и удельный расход топлива за рабочий цикл определены по выражениям:

360 + Ч>Х -<Рн.с.)

/=180 2

360

- £

! = Ш~(рн с у

;+1

/=360 1

540

¡=360+<р2-рн^

Рм+Ъ

(12)

Ъе, =0,2020

т 'щ

V

У У

- 0,6143 Ач'11м] +0,6393,

(13)

что дает возможность оценить топливную экономичность рабочих циклов дизелей, работающих на различных видах смесевого углеводородного топлива.

Результаты таких сравнительных расчетов приведены в приложении к диссертационной работе, на основании которых установлено,

что момент начала сгорания топлива не зависит от вида и элементарного состава топлива, так как определяется в основном величиной термодинамических параметров рабочего тела в момент подачи топлива и скоростью их изменения во времени, т. е. частотой вращения коленчатого вала дизеля;

применение смесевых видов топлива в тепловозных дизелях при сохранении установленных значений угла опережения подачи топлива приводит к увеличению скорости выгорания топлива;

увеличение скорости выгорания смесевых видов топлива смещает процесс сгорания в сторону верхней мертвой точки (ВМТ), что приводит к уменьшению работы в процессах сгорания, расширения, снижению полезной работы цикла и, как следствие, к снижению индикаторного КПД и к увеличению жесткости работы двигателя;

сохранить параметры настройки процесса топливоподачи, повышение агрегатной мощности, улучшение экономических характеристик и снижение токсичности отработавших газов за счет увеличения доли альтернативной присадки в топливной смеси, что позволяет конвертировать дизель серийной конструкции во «всеядный» двигатель, способный работать как на дизельном, так и на смесевых видах топлива различного элементарного состава.

В четвертой главе представлена методика для определения параметров настройки процесса топливоподачи (угла опережения подачи топлива), вида и элементарного состава топливной смеси (доли альтернативной добавки к дизельному топливу), обеспечивающих заданное значение эффективной мощности при минимально возможном расходе топлива.

В основу разработанной методики положен метод ортогонального композиционного планирования со звездными точками.

При формировании функции отклика использованы принципы имитационного моделирования. Некоторые результаты имитационного моделирования параметров рабочего цикла дизеля при использовании смеси дизельного топлива и природного газа представлены в табл. 1.

Таблица 1

Результаты имитационного моделирования параметров рабочего цикла дизеля 2А-5Д49, ра-

Параметр

(р , °п.к.в. ^н.сг1

Ф , °п.к.в. Рг, МПа Тг,К

Ацикл, Дж Ре, МПа Ье, кг/(кВт-ч)

ботающего на смеси дизельного топлива и природного ]

Результаты имитационного эксперимента по номеру опыта

364 15

13,03

1355

13669

0,848

0,313

363 1

13,03 2181 11393 0,706 0354

333 75

13,03

1422

15274

0,947

0,288

333 37

13,03

1516

13830

0,858

0,311

347 78

13,03 2160 29823 1,849 0,200

347 85

13,03

1423

14919

0,925

0,294

333 30

13,03 1409 14706 0,912 0,297

364 1

13,03 1471 14941

0,926 0,293

При описании области функции отклика, близкой к экстремуму, использован полином второго порядка вида:

У(х\,х2) = Ъ0 + +Ь2х2 +¿>12*1*2 +Ь\\Х\ + Ь22х2, (14)

где ¿о - свободный член; ЪЬЪ2- линейные эффекты; Ьп - эффекты парного взаимодействия; ¿ц>^22 — квадратичные эффекты.

С применением типовой методики рассчитаны коэффициенты регрессии функции отклика для всех исследуемых топливных смесей. Например, для топливной смеси ДТ+СН4 значения коэффициентов регрессии приведены в табл. 2.

Таблица 2

Значения коэффициентов регрессии функций отклика

Вид математической модели Значения коэффициентов регрессии для топливной смеси ДТ+СН4

¿0 Ь2 Ь\2 ¿п Ь22

Ре = /(Х],Х2) 1,321 0,1155 0,0395 0,0133 0,0059 -0.462

be=f(xhx2) 0,2416 -0,0051 -0,0107 -0,0045 0,0109 0,059

Tz = f(x],x2) 1627 276,17 -ПО -183 164,96 -186,52

Лцикл = f(x,,x2) 21304 1864 634,5 208 93,08 -7454

Значимость коэффициентов регрессии уравнений рассчитана с использованием критерия Стьюдента, адекватность принятых математических моделей подтверждена с применением критерия Фишера.

Методика определения положения точки экстремума для двухфакторных квадратичных зависимостей предполагает решение системы двух уравнений, представляющих собой частные производные функции отклика от независимых факторов, т. е. уравнений вида {df{xhx2))/d{xl) и (df(xhx2))/d(x2).

При решении системы уравнений необходимо в качестве итоговых принимать те значения, которые находятся в области допустимых значений изменения независимых факторов и обеспечивают заданные, определенные паспортными данными, значения мощностных и экономических характеристик дизеля и минимально возможную токсичность отработавших газов (табл.3).

Таким образом, если целью конвертации дизельного двигателя для работы на смесевых видах топлива является экономия органических видов топлива, т. е. достижение be = min либо Ne = max, то параметры настройки процесса топ-ливоподачи необходимо изменить согласно данным, представленным в табл. 3.

Оптимальные значения независимых факторов и значения функции отклика

Вид математической модели и значения экстремума Вид топливной смеси

дт+сн4 ДТ+БИ01 ДТ+БИ02 дт+н2о ДТ+прод.сг

Рет ах,МПа 1,440 1,150 1,210 0,975 0,941

Ре = ДХьХ2) Ф , "П.К.В. 40 16 9 0 0

31,71 26,92 31,37 36,16 25,30

Ь^т'т 1 кг/(кВт-ч) 0,240 0,249 0,222 0,283 0,288

Ъе = /(хих 2) ф, "п.к.в. 25 12 7 0 0

33 32,61 31,38 37,92 60

Тгтах. к 2184 1921 2200 1490 1430

Гг = /(х„*2) ф, °п.к.в. 40 40 40 40 11

6,45 7,29 0 38,25 31,62

Лциклтах > Дж 23285 18567 19550 15716 15173

¿цикл =/(Х1,Х2) ф, "п.к.в. 40 16 9 0 0

31,71 32,31 31,38 36,21 38,10

В пятой главе представлена методика оценки эффективности использования смесевых углеводородных видов топлива в тепловозных дизелях. Оценка эффективности использования смесевых видов топлива выполнена по результатам сравнения топливной экономичности тепловозов, работающих на различных видах топливных смесей на заданном полигоне эксплуатации.

Для выполнения модельных расчетов выбран участок Свердловской железной дороги, на котором работают тепловозы серии 2ТЭ70. Режимы работы тепловоза сформированы по режимной карте ведения поезда на выбранном участке. По результатам расчетов определены удельные эксплуатационные характеристики тепловоза 2ТЭ70 на единицу выполненной работы, результаты

представлены в табл. 4.

Согласно данным, представленных в табл.4 применение смесевых углеводородных видов топлива в тепловозных дизелях приведет к увеличению эксплуатационных расходов (расходов на топливо) на 26 %.

Энергетические показатели эксплуатации секции тепловоза 2ТЭ70

Наименование Значение показателя для топливной смеси

показателя ДТ ДТ +СН4 ДТ + БИ01 ДТ + БИ02

Среднеэксплуатаиионный удельный расход топлива, кг/(кВт*ч) 0,220 0,272 0,281 0,278

Среднеэксплуатаиионный часовой расход топлива, кг/ч 285,5 320,6 288,1 291,0

Величина отклонения эффективной мощности дизеля ДЫе, % 0 -20 -31 -29

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

Для оценки эффективности использования смесевых видов углеводородного топлива в тепловозных дизелях необходимы оптимизационные исследования, в которых в качестве критериев оптимальности должны быть приняты показатели эксплуатационной экономичности энергетической установки и суммарной токсичности отработавших газов. Для выполнения таких оптимизационных расчетов могут быть использованы результаты настоящей диссертационной работы, в которой:

1) созданы математические модели для расчета физико-химических и те-плофизических свойств топливных смесей, состоящих их стандартного дизельного топлива (по ГОСТ 305-82) и определенного количества альтернативной присадки;

2) разработана математическая модель для расчета термодинамических параметров рабочего цикла дизеля, работающего на смесевых видах топлива, с учетом нагрузочных режимов и параметров настройки процесса топливоподачи дизеля;

3) предложена методика, позволяющая рассчитать термодинамические параметры процесса сгорания топлива в цилиндре дизеля с учетом его теплофи-зических характеристик, определить текущие значения индикаторной диаграммы, максимальные динамические и температурные параметры цикла;

4) на основе результатов обработки индикаторной диаграммы разработана методика определения индикаторных и эффективных показателей, полезной работы, экономичности, тепловой и динамической напряженности рабочего цикла дизеля при использовании смесевого топлива в рабочем диапазоне эксплуатационных нагрузок двигателя;

5) разработаны методика и алгоритм, позволяющие определить долю альтернативной присадки в топливную смесь для конвертирования дизеля серийной конструкции во «всеядный» двигатель, способный работать на дизельном и на смесевом топливе различного состава, сохраняя агрегатную мощность с улучшенными экономическими и токсикологическими характеристиками;

6) предложена математическая модель, позволяющая определить оптимальные значения параметров настройки процесса топливоподачи, вида и элементарного состава смесевого углеводородного топлива, обеспечивающие заданные мощностные параметры при минимально возможном расходе топливной смеси;

7) для оценки технико-экономической эффективности использования смесевого топлива в тепловозных дизелях применен метод свертки, который предполагает расчет обобщенного критерия, включающего в себя показатели топливной эффективности и показатели, характеризующие воздействие дизельных локомотивов на окружающую среду.

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации

В изданиях, определенных ВАК Минобрнауки России:

1. А н и с и м о в А. С. Методы исследования взаимовлияния параметров функционирования тепловоза / А. С. А н и с и м о в, В. А. М и х е е в, Ю. Б. Г р и ш и н а // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения.

Омск, 2010. №1. С. 2-8.

2. Совершенствование метода анализа процесса сгорания по индикаторной диаграмме /Е. И. Сковородников, Ю. Б. Гришинаи др.// Наука и техника транспорта / РОАТ МГУПС (МИИТ). М., 2010. № 4. С. 57 - 63.

3. Сковородников Е. И. Применение метода Вибе для моделирования рабочего процесса тепловозных дизелей /Е. И. Сковородников, Ю. Б. Г р и ш и н а, А. С. А н и с и м о в // Вестник транспорта Поволжья / Самарский гос. ун-т путей сообщения. Самара, 2010. № 2 (22). С. 14 - 19.

4. Сковородников Е. И. Методика определения физико-химических характеристик топливных смесей различного элементарного состава /Е. И. Сковородников, Ю. Б. Гришина, А. С. Анисимов// Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2011. № 4 (8). С. 31-41.

5. Сковородников Е. И. Оценка влияния снижения давления наддува на выходные параметры работы тепловозного дизеля / Е. И. С к о в о р о д-н и к о в, Ю. Б. Г р и ш и н а, А. С. А н и с и м о в // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2012. № 1 (9). С. 39 - 42.

6. С к о в о р о д н и к о в Е. И. Экологический мониторинг энергетических установок дизельного подвижного состава /Е. И. Сковородников, Ю. Б. Г р и ш и н а, А. С. А н и с и м о в // Транспорт Урала / Уральский гос. унт путей сообщения. Екатеринбург, 2010. № 2 (25). С. 75 - 79.

В прочих изданиях:

7. Г р и ш и н а Ю. Б. Современные присадки к дизельному топливу / Ю. Б. Г р и ш и н а // Совершенствование технологии ремонта и эксплуатации подвижного состава: Сб. науч. статей аспирантов и студентов университета / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2007. Выпуск 7. С. 26 - 31.

8. Г р и ш и н а Ю. Б. Использование альтернативных видов топлива в энергетических установках тепловозов / Ю. Б. Г р и ш и н а // Приоритетные направления развития науки и технологий: Доклады Всероссийской научн,-техн. конф. Тульский гос. ун-т / Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. С. 64-66

9. М и х е е в В. А. Оценка тяговых качеств магистральных тепловозов по результатам реостатных испытаний / В. А. М и х е е в, Ю. Б. Г р и ш и н а // Повышение эффективности использования и совершенствование системы технического обслуживания и ремонта локомотивов: Межвуз. темат. сб. науч. тр. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2010. С. 22 - 26.

10. Сковородников Е. И. Метод аналитического контроля продуктов сгорания транспортных дизельных двигателей /Е. И. Сковородников, Ю. Б. Г р и ш и н а и др. // Россия молодая: передовые технологии - в промышленность: матер. II Всерос. молодежи, науч.-техн. конф. Кн. 3. ОмГТУ. Омск, 2009. С. 236-239.

11. М и х е е в В. А. Режимы работы магистральных тепловозов на восточном полигоне железных дорог России / В. А. М и х е е в, Ю. Б. Г р и ш и н а и др.// Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте 2009: Сб. науч. трудов 8\\югЫ по материалам международной научно-практической конференции. Одесса, 2009. Т. 1. № 2. С. 35 - 36.

Типография ОмГУПСа. 2012. Тираж 100 экз. Заказ 779.

644046, г. Омск, пр. Маркса, 35

Введение

1. Анализ состояния вопроса. Цели и задачи исследования

2. Методика определения физико-химических характеристик топливных углеводородных смесей элементарного состава

3. Математическая модель расчета термодинамических параметров рабочего цикла дизеля, работающего на различных видах углеводородного топлива

3.1. Методика формирования исходных данных для расчета параметров рабочего цикла дизелей, работающих на различных видах смесевых углеводородных топлив

3.2. Расчет параметров рабочего цикла дизеля методом Гриневецкого - Мазинга для различных видов углеводородного топлива

3.3. Уточнение термодинамических параметров рабочего цикла дизеля по методу Вибе

3.4. Моделирование параметров индикаторной диаграммы и определение эффективных параметров рабочего цикла дизеля

4. Использование методов планирования эксперимента для оптимизации рабочих циклов дизелей, работающих на смесевых углеводородных видах топлива

5 Методика оценки эффективности использования смесевых видов топлива в энергетических установках тепловозов Основные результаты работы и выводы Список использованных источников

Потребность в органических энергоносителях вне зависимости от кризисов будет постоянно возрастать, а их дефицит негативно скажется на мировой экономике и уровне жизни населения. Последние десятки лет проблемой поиска альтернативных энергоносителей серьезно занимаются ведущие страны мира. Перспективными считаются следующие виды альтернативного топлива: водород, возобновляемые источники энергии, электроэнергия от аккумуляторов, биотопливо, биогаз и другие. К настоящему времени до практического применения ни одна из этих разработок пока не доведена.

Для России перспективным альтернативным энергоносителем в настоящее время следует считать природный газ, треть мировых запасов которого принадлежит пашей стране [1]. Для нас природный газ на ближайшие десятилетия — стратегический энергоноситель, который одновременно является самым чистым в экологическом отношении моторным топливом. В первую очередь его нужно использовать на всех видах транспорта - автомобильном, авиационном, железнодорожном, морском, что проверено на практике в 90-х гг. прошлого века.

Следует отметить, что для России наступила пора, когда требуется просчитать запасы своих энергоносителей, темпы их отбора, рациональность использования на внутреннем рынке и реализации на экспорт. Не вызывает сомнений, что транспорт должен быть переведен на природный газ в первую очередь. Помимо экономических и экологических проблем, это связано с энергетической безопасностью страны, уровнем ее обороноспособности. Например, Германия, не имея ни одного кубометра собственного газа, переводит серийные автомобили на газ, а число автомобильных газонаполнительных компрессорных станций (АГНКС), введенных за последние годы, приближается к 1 ООО единицам. В России число таких локомотивов в настоящее время едва превышает 200 единиц. з