автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Снижение вредных выбросов дизелей путем изменения условий смесеобразования

АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ И.И.ПОЛЗУНОВА

На правах рукописи

РУСАКОВ Вадим Юрьевич

УДК 621.436

СНИЖЕНИЕ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ ДИЗЕЛЕЙ ПУТЕМ ИЗМЕНЕНИЯ УСЛОВИЙ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ

05.04.02 - Тепловые двигатели

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Барнаул, 1994

Работа выполнена на кафедре "Двигатели внутреннего сгорания" Алтайского государственного технического университета им.И.И.Ползунова.

Научный руководитель -Научный консультант -Официальные оппоненты -

Ведущее предприятие -

доктор технических наук, профессор Д.Д.Матиевский

доктор технических наук, профессор А.Л.Новоселов

доктор технических наук, профессор С.А.Батурин

кандидат технических наук, доцент В.Т.Толстов

АО "Барнаултрансмаш"

Защита диссертации состоится 6 декабря 1994 г. в 14^ часов на заседании специализированного Совета К 064.29.04 при Алтайском государственном техническом университете в конференц-зале (656099, г.Барнаул, пр.Лешша 46).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АлтГТУ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью Вашего учреждения, просим направлять в адрес специализированного Совета.

Автореферат разослан"

года.

Ученый секретарь специализированного Совета К 064.29.04 к.т.н., доцент В.А.Синицын.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В последние десятилетия проблемам борьбы с загрязнением окружающей среда уделяется повышенное внимание. Ужесточение пори на содержание вредных компонентов в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания привело, как правило, к невозможности решения традиционными способами двуединой задачи: снижения уровней выбросов токсичных компонентов при сохранении или повышении топливной экономичности. Работы последних лет показывают, что для правильной организации процесса сгорания топлива в дизеле важным фактором является подбор оптимального закона подачи топлива и интенсивности вихревого движения воздушного заряда. В ряде работ исследуется влияние турбулентности воздушного заряда, организуемой камерой сгорания в поршне, на эффективность процесса сгорания, а также на снижение токсичности отработавших газов (ОГ) дизелей. Эти исследования показали, что применение высокотурбулентных камер сгорания в сочетании с подобранными впускными каналами, законом подачи топлива, а также газотурбинным наддувом, оказывает положительное воздействие на процессы смесеобразования и сгорания. В то же время воздействие локальной турбулизации на показатели дизеля мало изучено и носит противоречивый характер. Методы исследований внутрицилиндровых процессов, позволяющие получить данные о процессах смесеобразования и сгорания, и методики расчета экологических показателей дцзеля с учетом рассмотренных выше факторов, разработаны недостаточно. В связи с этим проблема снижения вредных выбросов дизелей при сохранении топливной экономичности является актуальной.

Цель работы. Исследование влияния турбулизации воздушного заряда в дизеле с объемно-пленочным смесеобразованием на выбросы вредных веществ с ОГ.

Достижение указанной цели осуществлялось решением следующих основных задач:

- разработка комплекса научной аппаратуры и метода исследований воздействия различных конструктивных решений, влияющих на смесеобразование, сгорание и выброс вредных веществ с ОГ дизеля;

- изучение условий образования токсичных веществ в цилиндре дизеля с объемно-пленочным смесеобразованием;

- экспериментальные исследования рабочего процесса дизеля 14 13/14 с конструктивными мероприятиями, обеспечивающими турбулизацию воздушного заряда;

- теоретические исследования и математическое моделирование рабочего процесса и образования токсичных веществ в цилиндре дизеля с учетом воздействия мелкомасштабной турбулентности воздушного заряда;

- разработка рекомендаций по использованию турбулизации заряда в дизелях с объемно-пленочным смесеобразованием в целях снижения вредных выбросов с ОГ при сохранении высокой топливной экономичности.

Объект исследования. Исследования проводились на одноцилиндровом отсеке дизеля Ч 13/14 серии "А" производства АО "Алтайдазель" при Pj=0,83 МПа, п=1800 мин-1 с имитацией режимов нагрузочной характеристики без наддува. Испытывались камеры сгорания в штатном исполнении (к.с. типа ЯМЗ,) и опытная, с турбулизаторами (а.с. № 1456622, рис. 2).

Методы исследований. Проводились комплексные исследования внутрицилиндровых процессов дизеля. Регистрировались следующие параметры: индикаторная диаграмма давления в цилиндре, диаграммы давления топлива перед форсункой и подъема иглы форсунки, диаграммы интенсивности излучения пламени на двух длинах волн и диаграмма интенсивности проходящего через цилиндр луча источника света (лазера). Индикаторные диаграммы, диаграммы излучения пламени и поглощения света обрабатывались по методикам, разработанным на кафедрах ДВС С-ПбГТУ и АлтГТУ с целью определения характеристик тепловыделения, объемных полей температур и'концешраций сажи в цилиндре. Проводился анализ содержания токсичных компонентов в ОГ. С помощью математической модели рассчитывались параметры рабочего процесса и образования токсичных веществ в цилиндре. Обработка экспериментальных данных и расчетные исследования проводились на персональных ЭВМ МС-0502 (ДВК-3), IBM PC/AT.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые метод оптического индицирования использован при исследовании влияния условий смесеобразования на протекание рабочего процесса и образование токсичных веществ в цилиндре дизеля. Разработана автоматизированная система для сбора и обработки экспериментальных данных на основе микро-ЭВМ, и программное обеспечение. Разработана методика и проведено комплексное исследование полей температуры и концентрации

сажи 'для дизеля с объемно-пленочным смесеобразованием с различными вариантами камер сгорания. Разработана математическая модель рабочего процесса дизеля и образования токсичных веществ, позволяющая учесть локальную турбулизацию воздушного заряда.

Практическая ценность. Разработанный метод исследований позволяет получить информацию о влиянии локальной турбулизации воздушного заряда в камере сгорания на формирование полей температуры и концентрации сажи в цилиндре дизеля, которые являются основой для математического моделирования внутрицшшндровых процессов и разработки конкретных мероприятий по улучшению экологических характеристик дизелей.

Работа выполнена на кафедре "Двигатели внутреннего сгорания" Алтайского государственного технического университета им. И.И.Ползунова в 1987-1994 г.г.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Всесоюзной научно-технической конференции "Альтернативные топлива в двигателях внутреннего сгорания", 1988 г., г.Киров; на Всесоюзном межотраслевом научно-техническом семинаре "Тепловыделение, теплообмен в ДВС и теплотпряженность их деталей", 1989 г., г. Санкт-Петербург, С-ПбГТУ; на Всесоюзном научно-практическом семинаре "Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС", 1989 г., г. Владимир, ВПИ; на постоянно действующем научно-техническом семинаре "Исследование рабочего процесса и систем быстроходных дизелей", 1987-1994 г.г., г. Барнаул, АлтГТУ; на Международной научно-технической конференции "Совершенствование быстроходных дизелей", 1993 г., г. Барнаул, АлтГТУ.

Реализация результатов работы. Результаты работы используются в АО "Барнаулггрансмаш" при разработке рабочего процесса перспективных дизелей, а также при проведении научных исследований и в учебном процессе кафедры "Двигатели внутреннего сгорания" АлтГТУ им, И.И.Ползуиова.

Публикации. Основные положения работы опубликованы в 12 печатных работах, в том числе в 1 авторском свидетельстве на изобретение.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и приложения. Работа содержит 100 страниц основного текста, 6 таблиц, 51 рисунков и приложение на 7 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность исследования, излагаются положения, выносимые автором на защиту, раскрываются научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе проведен анализ работ, посвященных изучению способов и влияния завихривания воздуха на впуске в цилиндр и турбулизации воздушного заряда в цилиндре дизеля на количество токсичных веществ, выбрасываемых дизелями. Проведен анализ экспериментальных методов, применяемых при исследовании параметров воздушного заряда в цилиндре двигателей и параметров рабочего процесса. Анализ отечественной и зарубежной н аучно-технической литературы показал, что в России и за рубежом проблеме снижения токсичности и улучшения экономичности дизелей посвящено большое количество научных работ. Основным направлением, по которому идет совершенствование процессов смесеобразования и сгорания, является организация управляемости процессов путем обеспечения неоднородного во времени заряда и ступенчатого сгорания. Показано, что повышения экономичности цикла и одновременного уменьшения выброса сажи можно добиться интенсификацией процесса сгорания. Оценивая процесс сгорания по характеристике тепловыделения, необходимо добиваться уменьшения первого максимума и приближения второго

максимума <1х/<1ф к ВМТ. Этим достигается увеличение индикаторного к.п.д. цикла и сдвиг периода основного горения в область высоких температур, где есть условия для эффективного протекания процессов выгорания сажи. Понижения выброса окислов азота можно достигнуть несколькими путями: понизить уровни температур в цилиндре, это может быть достигнуто интенсификацией перемешивания горячих продуктов сгорания с более холодным свежим зарядом в цилиндре; или использовать микросмешение и интенсифицировать смесеобразование, сократив тем самым продолжительность процесса сгорания, возможно, с некоторым увеличением температур в цилиндре. Одним из эффективных способов решения вышеуказанных задач является завихривание и мелкомасштабная турбулизация воздушного заряда в цилиндре дизеля. На современном этапе развития дизелестроения для дизелей с объемно-пленочным смесеобразованием идут поисковые исследования по организации мелкомасштабной турбулентности воздушного заряда вблизи стенок камеры сгорания, и получены положительные результаты. В патентной литературе приводится большое количество

конструкций камер сгорания дизелей с объемно-пленочным смесеобразованием, с элементами для создания мелкомасштабной турбулентности в камере сгорания.

Несмотря на то, что в ряде работ приводятся экспериментальные данные о плоском или объемном распределении скоростей движения воздушного заряда, температур и концентраций сажи в цилиндре, этих сведений недостаточно для практического использования.

Анализ методов, применяемых при исследовании внутрицилиндровых процессов ДВС показал, что наиболее перспективным является использование спектральных оптических методов. В качестве инструмента исследования был принят метод оптического ш цитирования, который включает в себя определение температуры двухцветовым методом и концентрации сажи по поглощению излучения стороннего источника света. Метод получил широкое распространение, в том числе, на кафедре ДВС АлтГТУ. Для исследования объемных полей температур и концентрации сажи необходимо многоканальное оптическое индацирование цилиндра. Это предполагает получение большого количества экспериментальных данных, для работы с которыми требуется применение систем для автоматизированного сбора и обработки информации на базе ЭВМ.

В заключении первой главы сформулированы задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке экспериментальной установки для многоканального оптического индицирования надпоршневого объема с применением системы автоматизированной регистрации и обработки информации.

Для измерения температур и концентраций сажи использовался метод оптического индацирования с применением оптического квантового генератора (ОКГ).

Установка выполнена на базе дизеля 14 13/14, (УК-2) оснащенного нагрузочным устройством электрического типа и имеющего все узлы и агрегаты, обеспечивающие его работу на различных нагрузочных и скоростных режимах. Для обеспечения многоканального поперечного оптического зондирования цилиндра произведена дообработка двигателя УК-2. В корпусе цилиндра и гильзе выполнены три пары соосно расположенных отверстий, снабженных разобщительными устройствами. Окна, расположенные на противоположных сторонах цилиндра, образуют измерительный канал. Измерительные каналы выполнены с параллельными осями окон. Зондирование

производится в направлении, перпендикулярном оси цилиндра двигателя.

Расположение измерительных каналов показано на рис. 2. Два измерительных канала (1 и 3) выполнены на образующих гильзы с пересечением продольной оси цилиндра. Ось третьего измерительного канала (3) отстоит от оси цилиндра в радиальном направлении на относительное расстояние r/R = 0,77. Расстояние от плоскости головки цилиндра до осей измерительных каналов составляют соответственно s/S = 0,09 для пар отверстий №1 и №2, и s/S = 0,36 для пары отверстий №3. Луч ОКГ направляется в измерительный канал, и суммарное излучение ОКГ и пламени по волоконному световоду поступает в блок приемников излучения (БПИ). В БПИ происходит выделение го суммарного излучения двух квазимонохроматичных составляющих с X = 0,397 мкм и 7. = 0,634 мкм и преобразование их в пропорциональные электрические сигналы фотоумножителями, далее сигналы усиливаются двухканальным усилителем постоянного тока. Выходные сигналы усилителей постоянного тока подключаются к входам регистрирующего устройства, где происходит их преобразование в цифровой код, передача в оперативное запоминающее устройство ЭВМ, обработка с помощью пакета программ и выдача на магнитный носитель и печатающее устройство. В главе приводится описание всех систем экспериментальной установки, методик обработки результатов эксперимента, приведена оценка погрешностей измерений.

В третьей главе приведены результаты экспериментального исследования влияния формы камеры сгорания на рабочий процесс дизельного двигателя. Проведены сравнительные испытания дизеля, укомплектованного поршнем с камерой сгорания типа ЯМЗ и с камерой сграния по а.с. №1456622, разработанной в АлтГТУ, имеющей специальную конфигурацию для обеспечения повышенной турбулизации воздушного заряда в процессе смесеобразования и сгорания. Нагрузочная характеристика дизеля приведена на рис. 1.

Определялись объемные поля температуры пламени и концентрации сажи в цилиндре. Также определялись индикаторные и эффективные показатели рабочего процесса и содержание токсичных компонентов в отработавших газах при работе на дизельном топливе ГОСТ 305-82 и альтернативных топливах (смесях дизельного топлива со спиртами). Распределение температур пламени Т и концентраций сажи С в цилиндре дизеля УК-2 с камерой сгорания типа ЯМЗ и камерой сгорания по а.с. №1456622 при п= 1800 мин"1 и Pmj = 0,82 МПа и

Нагрузочная характеристика

-о-к.с. ЯМЗ

-а— к.с. опытная

Расположение зондирующих отверстий в опытной камере 'сгорания

Рис. 2.

дизеля Д-37Е при п=1750 мин"' и Рга| = 0,74 МПа представлены на рис. 3, 4. Они показывают, что для дизеля УК-2 наиболее высокий уровень температуры пламени и концентрации сажи в центре камеры сгорания наблюдается при положении поршня, близком к ВМТ. Кривые концентрации сажистых частиц характеризуются первоначальным ростом концентрации С (несколько позже момента начала видимого сгорания), достижением максимума и последующим интенсивным снижением вследствие выгорания сажи. Характер этих кривых, а также значения температур Т и концентраций С типичны для процесса сгорания в дизелях. Для температуры пламени изменение по углу поворота коленчатого вала заключается в снижении уровня температуры относительно максимального в момент начала регистрации. Для концентрации ■ сажи типичны кривые с максимальной концентрацией С в момент начала регистрации с последующим интенсивным снижением и выравниванием к моменту открытия выпускного клапана. Кривые изменения температур и концентраций в радиальном направлении представлены на рис. 5 и 6. Локальные температуры и концентрации сажи имеют наибольшую неравномерность в положении поршня, близком к ВМТ. По мере движения поршня к НМТ наблюдается тенденция к выравниванию температурных полей. Для исследованных камер сгорания характерны наибольшие концентрации сажи на периферии камеры сгорания (в 1,2...2,2 раза выше, чем на оси цилиндра).

Сравнение мгновенных температурных и концентрационных полей в цилиндре в случае с камерой сгорания типа ЯМЗ и опытной позволяет зафиксировать значительные количественные различия. Полученные экспериментальные данные имеют практическую ценность для моделирования рабочего процесса дизелей и уровней вредных выбросов с отработавшими газами с учетом влияния турбулентного движения воздуха в камере сгорания.

В дальнейшем эти данные могут быть использованы при расчетах тепловыделения в цилиндре дизеля с учетом локальных характеристик рабочего процесса. *

В рамках проведенных исследований представляет интерес оптаческое индицирование параметров рабочего процесса дизеля при работе его на альтернативных топливах.

Для эксперимента были отобраны следующие топлива:

1. Смесевое топливо (60% дизельного топлива, 20% этанола, 20% октанола). .

3000 2800 2600 2400 2200 2000

Температура пламени в цилиндре 413/14, п=1800 1/мин, Pmi=0,83 МПа 410,5/12, п=1750 1/мин, Ре=0,74 МПа

-20

20

40 60 Fi, град.п.к.в.

r/R=0

80

0,09 i

5—gs

й,06 S 0,36 i

- фу С-2, к.с. Я лз

0V Ад W, к.с. о! 37 ьгтная 1 s

100

120

0,8

- 0,6 С

0,4

0,2 0

-20

Рис. 3.

Концентрация сажи в цилиндре 413/14, п=1800 1/мин, Pmi=0,83 МПа 410,5/12, п=1750 1/мин, Pmi=0,74 МПа r/R=0

20

40 60 Fi, град.п.к.в.

80

100

120

Рис. 4.

Температура пламени в цилиндре 14 13/14,п=1800 1/мин, Рпп=0,83МПа, Ь=0,138

14 10,5/12, п=1750 1/мин, Рпи=0,74МПа, Ь=0,09Э

К, град.п.к.в. Рис. 5.

2,4 2 1,6 С 1,2 0,8 0,4 0

Концентрация сажи в цилиндре 14 13/14,.п=1800 1/мин, Рт1=0,83 МПа, Ь=0,09Э .

14 10,5/12, п=1750, Ргш=0,74 МПа, Ь=0,133

-20

♦УК-2, к.С. ЯШ

,77 В аьггная

'А 1-37 '

Г/ИтО

г/К=( Д.

20

40 60 град.п.к.в.

80

100

120

Рис. 6.

2. Смесевое топливо (3% пропанола, 97% дизельного топлива).

3. Смесевое топливо (3% нитробензола, 97% дизельного топлива).

Топлива 2 и 3 были опробованы в качестве растворителей для присадки МпС12, снижающей дымность выхлопа.

4. Топливо, содержащее «97% дизельного топлива, 3% пропанола и 0,05% МпС^.

Результаты оптического индащирования цилиндра дизеля и измерений уровней вредных выбросов с ОГ при работе на перечисленных топливах представлены на рис. 7-8.

Из графиков видно, что тоютгво №1 обеспечивает средние уровни температур пламени и концентрации сажи, а также наименьшие уровни выбросов окислов азота.

Наименьшие температуры и концентрации сажи наблюдаются в экспериментах с топливом №4. Это кореллирует с известными данными о применении антидымных присадок ЦТМ на основе марганца. Ионы марганца, выделяющиеся из присадки, выступают ингибиторами в реакциях образования сажи и катализаторами при ее выгорании. Выбросы окислов азота несколько выше, чем для топлива №1 на режимах частичных нагрузок, и несколько ниже на режимах, близких к номинальным. Воздействие прйсадки марганца на рабочий процесс можно проследить, сравнивая графики для топлив №2, (топливо с пропанолом без присадки МпС^) и №4. Топливо №2 имеет большие уровни температур и концентраций сажи. Уровни выбросов окислов азота примерно соответствуют топливу №1. Большое количество связанного ' азота в топливе №3, обладающего низкими значениями энергии активации, приводит к образованию большего количества топливных окислов азота, и, в результате, к значительному повышению (в 2 раза) выбросов окислов азота с отработавшими газами.

Оно характеризуется также наиболее высокими уровнями температур пламени. В -то же время концентрация сажи в цилиндре, начиная с <р = 30° п.к.в. после ВМТ, значительно меньше (в 2 - 3 раза), чем для топлив №№ 1, 2, 4. Четвертая глава посвящена математическому моделированию рабочего процесса дизельного двигателя с учетом влияния турбулизации воздушного заряда в камере сгорания. Произведен анализ существующих методик расчета параметров рабочего процесса и процессов образования токсичных веществ в

Температура пламени в цилиндре дизеля 14 13/13 при работе на различных топливах, 11=1800 Шин, Рт1=0,83 МПа,гЖ=0, Ь=0,093

3000 2800 2600 2400 2200 2000

-20

* и к-:

фтт

адт ■Нитробензол

ДЦ1 ><ДТ •ироишш -пропанол+№ пС1

20 40

храд.п.к.в.

60

80

Рис. 7.

Концентрация сажи в цилиндре дизеля 14 13/14 при работе на различных топливах, п=1800 1/мин, Ргш=0,83 МПа, г/К=0, Ь=0,093

40 60

К, град.п.к.в. V

Рис. 8.

цилиндре дизеля, позволивший разработать методику и алгоритм расчета экологических показателей дизельного двигателя. Модель имеет вид "серого ящика", поскольку часть подсистем известна и описывается математическими выражениями, а часть - описана полуэмпирическими уравнениями и регрессионными зависимостями.

За основу при разработке модели принят алгоритм, предложенный Н.Ф.Разлейцевым. В то же время, для решения поставленных задач в алгоритм введены новые расчетные блоки, или подпрограммы:

- расчета параметров рабочего тела в цилиндре,

- расчета температуры пламени,

- расчета образования термических окислов азота,

- расчета выбросов углеводородов и окиси углерода,

- предложены выражения для учета влияния турбулентности воздушного заряда на рабочий процесс дизеля.

Для моделирования характерных нагрузок в эксплуатации были использованы данные о режимах эксплуатации, приведенные в работах сотрудников кафедры ДВС АлтГТУ, материалы, полученные автором при проведении хоздоговорных работ на АО "Агггайдизель" и ПО "Барнаултрансмаш" и материалы научно-технической информации.

Для расчета образования окислов азота была принята методика, разработанная на кафедре ДВС С-ПбГТУ, как наиболее удобная с точки зрения использования данных индицирования, достаточно апробированная в расчетах, дающая хорошее совпадение экспериментальных и расчетных данных.

Для учета влияния вихревого движения воздушного заряда на динамику образования и уровни вредных выбросов дизеля дополнен алгоритм расчета параметров процесса сгорания. Анализ формирования рабочего процесса дизеля показал, что учет влияния турбулентности на рабочий процесс может происходить через изменение динамики испарения топлива в топливном факеле и со стенок камеры сгорания, и через изменение периода задержки воспламенения. В этом случае константа испарения топлива может иметь вид:

еВ<Ти-1)

К = 5-г;

Рс'Ю

где Ти - коэффициент турбулизации воздушного заряда,

а выражение для расчета периода задержки воспламенения:

1 с

= 3,6-106 • (х—1,6-10-4 • п) • ев'(Ти-1) •

Поскольку прямые измерения скоростей движения ' воздушного заряда в цилиндре двигателя автором не проводились, на настоящем этапе для учета влияния турбулизации коэффициент турбулизации воздушного заряда предложено рассчитывать через относительные величины концентраций сажи в камере сгорания с турбулизаторами и в цилиндрической камере сгорания, полученные * экспериментальным путем:

сгорания,

Сц - концентрация сажи в центре камеры сгорания.

Результаты расчетов текущего содержания сажи в цилиндре дизеля 1413/14 по углу поворота коленчатого вала сравнивались с результатами многоканального оптического индицирования двигателя 1413/14, проведенного автором на кафедре ДВС АлтГТУ. Отмечена сходимость результатов в пределах 10%. Моделирование показало, что принятая за основу физическая модель сгорания в цилиндре и разработанный алгоритм расчета дает удовлетворительную сходимость результатов расчета, при соответствующей настройке модели, с индикаторными диаграммами реальных дизелей, полученными одним из методов индицирования и результатами измерения дымности и токсичности отработавших газов.

Описанная математическая модель позволила провести анализ влияния некоторых факторов, таких, как степень сжатия, регулировка угла начала подачи топлива, продолжительность подачи топлива, давление наддува, охлаждение наддувочного воздуха, интенсивности движения воздушного заряда в цилиндре на уровни выбросов токсичных веществ с отработавшими газами. Анализ проводился для дизеля 1415/18 (ОД БМД). Настройка модели проводилась по индикаторным диаграммам рабочего процесса дизелей 1415/18 и 6415/18 и результатам измерения

где

Сп - концентрация сажи на периферии камеры

р, МПа

6

ККОх

0,02

0,01

4

/Г"*/ 'Ж ч

/ У ¡¡и •Лл .

/I/, 1// и ^ и V

ш ¿ту. \

0,8 0,6

йШф

0,02

0,01

-20 0 20 40 .60 80 $,град.п.к.в.

-к. с. ЯМЗ; ----к.с. опытная

Влияние турбулизащш на рабочий процесс дизеля 14 13/14, Р[=0,83, п=1800 мин

Рис. 9.

-1

дымности и токсичности выхлопа этих дизелей. Расчет влияния турбулизации на рабочий процесс (рис. 9) показал результаты, сходные с имеющимися в научно-технической литературе, и подтверждает результаты измерений выбросов окислов азота дизелями 413/14 и ЧН13/14 с камерами сгорания по а.с. №1456622, проведенных ранее в АлтГТУ.

Пфиод задержки воспламенения снижается, уменьшается также доля теплоты, выделившаяся в первой фазе. Продолжительность сгорания, следовательно и продолжительность окисления азота, уменьшается. Эти факторы приводят к. значительному снижению выбросов Ж)х с отработавшими газами в случае применения газотурбинного наддува во всем диапазоне нагрузок и частот вращения, и к некоторому повышению выбросов >ЮХ на расчетном режиме для безнаддувного дизеля.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящая работа, посвященная разработке расчетно-экспериментальных методов и средств исследования влияния турбулизации воздушного заряда в дизеле на выбросы вредных веществ с ОГ, содержит новое решение актуальной научной задачи, имеющей важное значение в области теории рабочих процессов ДВС. В результате исследований разработаны экспериментальный комплекс, который является базой для исследования внутрицилиндровыХ процессов в ДВС, в частности, условий сажеобразования, смесеобразования и теплового излучения, при их совершенствовании и создании.

На основе результатов работы можно сделать следующие выводы.

1. Организация мелкомасштабной турбулентности воздушного заряда в камере сгорания путем применения камер сгорания специальной конфигурации является существенным резервом совершенствования рабочего процесса дизеля с объемно-пленочным смесеобразованием в направлении уменьшения уровней его вредных выбросов при сохранении или улучшении его топливной экономичности.

2. Разработанный метод многоканального оптического индицирования с автоматизированной системой для сбора и обработки экспериментальных данных на основе микро-ЭВМ позволил получить новые данные о температурах пламени и концентрации сажистых частиц в цилиндре дизеля, которые свидетельствуют о существенном временном и пространственном

I о

изменении этих характеристик в объеме цилиндра. Например, для температур в верхнем поясе цилиндра они составляют: в камере сгорания типа ЯМЗ - 350 К; в опытной камере сгорания с турбулизаторами - 250 К; для концентраций сажи: в камере сгорания типа ЯМЗ - в 4...6 раз; в опытной камере сгорания с турбулизаторами - в 8... 10 раз.

Следовательно, возникает необходимость их учета при анализе внутрицилиндровых процессов и при математическом моделировании, особенно прирасчетах образования токсичных веществ в цилиндре.

3. Предложено использование метода оптического m [датирования при исследовании влияния условий смесеобразования на протекание рабочего процесса и образование вредных веществ в цилиндре дизеля. Выявлено, что, несмотря на более высокие максимальные значения концентрации сажи в цилиндре, опытная камера сгорания с турбулизаторами обеспечивает уменьшенные на 30% уровни выбросов сажи с ОГ. Эффект достигается за счет благоприятных условий для выгорания сажи.

В ходе работы получен ряд конкретных результатов.

1. При комплектации дизеля 14 13/14 без газотурбинного наддува поршнем с камерой сгорания по а.с. №1456622, обеспечивающей мелкомасштабную турбулизацию воздушного заряда, получено снижение выбросов сажи по сравнению с к.с. типа ЯМЗ на 25...30%, выбросы углеводородов СхНу снижены в два раза, выбросы окиси углерода СО незначительно снижаются при Ре < 0,42 МПа, и увеличиваются при Ре > 0,45 МПа. При этом возрастают выбросы окислов азота. Улучшение топливной экономичности на 3...4 г/кВт-ч наблюдалось при Ре < 0,42...0,45 МПа, а при Ре > 0,45 МПа наблюдалось ухудшение топливной экономичности.

2. При комплектации дизеля 1ЧН 13/14 с газотурбинным наддувом и охлаждением наддувочного воздуха поршнем с камерой сгорания по а.с. №1456622, обеспечивающей мелкомасштабную турбулизацию воздушного заряда, достигается снижение выбросов окислов азота на 9..25%, углеводородов СхНу на 20%, сажи - на 25% во всем диапазоне нагрузок. Содержание СО снижается при Ре >1,08 МПа и повышается при Ре < 1,08 МПа. Снижение удельного индикаторного расхода топлива достигает 10 г/кВт-ч при Ре= 1,2 МПа.

3. Уменьшением угла опережения начала подачи топлива с 30 до 25° п.к.в. до ВМТ выбросы NOx дизеля 415/18 могут быть

снижены на 28% при повышении выброса сажи на 5% и сохранении уровня выбросов СхНу.

4. Применением .охлаждения наддувочного воздуха дизеля ЧН15/18 можно снижать выбросы NOx в среднем на 10% на каждые 15 К при сохранении уровня выбросов сажи и

■ незначительном увеличении выбросов СхНу.

5. При использовании смеси 60% дизельного топлива, 20% октанола, 20% этанола в качестве альтернативного топлива в дизеле Ч 13/14 с камкой сгорания по а.с. №1456622 достигнуто снижение выбросов сажи в 2...3 раза. Выбросы окислов азота возрастают в среднем на .10% за счет увеличения периода задержки воспламенения, повышения жесткости процесса.

Для проведения исследований были разработаны следующие методы и средства исследований:

1. Создана экспериментальная установка для многоканального оптического индицирования дизеля 413/14 на базе одноцилиндрового отсека тракторного дизеля производства АО "Алтайдгоель".

2. Разработана и цзготовлена автоматизированная система индицирования двигателя на базе персональной ЭВМ с пакетом программного обеспечения, позволившая удовлетворить требования точности при исследованиях и работать с необходимыми объемами экспериментальных данных.

3. Предложена и обоснована математическая модель рабочего процесса дизеля, позволяющая учитывать и прогнозировать влияние турбулизации воздушного заряда в камере сгорания на рабочий процесс и уровни вредных выбросов, достоверность которой подтверждена результатами экспериментальных исследований рабочего процесса и условий смесеобразования в цилиндрах двигателей 14 13/14 и 44 10,5/12.

4. Разработана и защищена авторским свидетельством №1550196 конструкция камеры сгорания, имеющая элементы для организации мелкомасштабной турбулентности воздушного заряда.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Вагнер ВА., Русаков В.Ю., Гладышев A.B., Кулманаков С.П. Система автоматизированного сбора информации в ДВС //

- Двигателестроение.- 1990,- №4.-с. 37-38.

2. Вагнер В.А., Гладышев A.B., Русаков В.Ю. Работа дизеля на углеводородном топливе, насыщенном аммиаком // Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС: Тез. докл. всес. науч.-практ. семин. - Владимир. - 1989.

3. Двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия: A.c. №1550196 СССР, МКИ4 F02 В 23/06 / А.Л.Новоселов, В.Ю.Русаков, В.А.Сгашцын, А.Ю.Сергеев. АлтПИ. Заявл. 16.05.88. Опубл. 15.03.90., Бюл. №10.

4. Моделирование вредных выбросов дизелями / А.Л.Новоселов, В.Ю.Русаков II Информационный листок.-Барнаул: ЦНТИ, 1989,-№89-30.

5. Новоселов А.Л., Русаков В.Ю. Анализ динамики образования окислов азота и сажи в цилиндре дизеля // Альтернативные топлива в двигателях внутреннего сгорания: Тез. докл. всес. науч.-техн. конф., 24-27 мая 1988 г. - Киров. - 1988. С.

6. Новоселов А.Л., Русаков В.Ю., Вагнер В.А., Синицын В.А. Применение водорода и соединенней бария в качестве присадок к дизельному топливу // Альтернативные топлива в двигателях внутреннего сгорания: Тез. докл. всес. науч.-техн. конф., 24-27 мая 1988 г. - Киров. - 1988. С. 154-155.

7. Новоселов А.Л., Русаков В.Ю. Моделирование вредных выбросов дизеля II Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС: Тез. докл. всес. науч.-практ. семин. - Владимир. - 1989.

8. Новоселов А.Л., Русаков В.Ю. Влияние организации движения воздушного заряда на вредные выбросы дизелей // Совершенствование быстроходных дизелей: Межвуз. сб. науч. трудов. - Барнаул. -1991. С. 165-171.

9. Опыт планирования эксперимента при оценке вредных выбросов дизелей / А.Л.Новоселов, В.Ю.Русаков // Информационный листок.- Барнаул: ЦНТИ, 1989.- №240-89.

10. Русаков В.Ю. Моделирование процессов образования токсичных веществ в цилиндре // Совершенствование быстроходных дизелей: Тез. докл. международ, науч.-тех. конф. -Барнаул. - 1993. С. 66-67.

11. Русаков В.Ю., Вагнер В.А. Результаты исследований рабочего процесса дизеля при работе на альтернативных топливах,- В кн.: Труды факультета пищевых производств./ Сб.статей//АлтГТУ им.И.И.Ползунова.- Барнаул, 1994.-40 с.

12. Русаков В.Ю., Вагнер В.А. Результаты исследований параметров рабочего процесса дизеля с различными камерами сгорания.- В кн.: Труды факультета пищевых производств./ Сб.статей// АлтГТУ им.И.И.Ползунова.- Барнаул, 1994.-40 с.

170-171.