автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Улучшение эксплуатационных показателей автотранспортных дизелей путем совершенствования системы питания

На правах рукописи

0034ЬШиэ

Корабельников Сергей Кимович

УЛУЧШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ АВТОТРАНСПОРТНЫХ ДИЗЕЛЕЙ ПУТЕМ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ

05.04.02 - Тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание учёной степени доктора технических паук

9 о:-г

■ ■ • --УС/

Санкт-Петербург-Пушкин 2009

003481095

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный

университет»

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор Николаенко Анатолий Владимирович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Петриченко Михаил Романович

доктор технических наук, профессор Лиханов Виталий Анатольевич

доктор технических наук, профессор Неговора Андрей Владимирович

Ведущая организация: ФГОУ ВПО СПб государственной универси-

тет сервиса и экономики

Защита состоится «27» ноября 2009 г. в 1330 ч. на заседании диссертационного совета Д220.060.05 при ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет» по адресу: 196601. Санкт-Петербург-Пушкин, Петербургское'шоссе, 2, ауд. 2.529

Е-таП: uchsekr@spbgau.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного аграрного университета

Автореферат разослан « ЛО » ркТЛ¿рД 2009 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета д.т.н., профессор

Т.Ю. Салова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. На современном этапе развития общества правомерно говорить о существовании экологической проблемы, которая по своей общественной значимости вышла на одно из первых мест. Экологический кризис представляет собой реальную опасность, поскольку в каждом регионе налицо стремительное развитие критических техногенных ситуаций, которое в значительной степени определяется эксплуатацией мобильной техники.

К концу 2005 года парк автомобильной техники насчитывал около 31 млн. автомобилей, при этом свыше 50 % парка составляют автомобили старше 10 лет, в зарубежных странах этот показатель составляет: в Европе - 28 %, в США -41 %, в Японии-22%.

За 2001 - 2005 годы объем автомобильного рынка увеличился на 18 % при среднем ежегодном росте на 3,5 %. Рост автомобильного рынка в России и возраст парка ставит перед отраслью задачу увеличения выпуска автомобильной техники, отвечающей современным требованиям. Эта задача становится еще более актуальной в условиях предстоящего вступления России в ВТО. Устойчивый рост числа автомобилей, несмотря на ужесточение экологических норм, как в Российской Федерации, так и в мире, ведёт к увеличению числа выбросов токсичных веществ, в среднем в год на 3,1 %. В результате величина ежегодного экологического ущерба от функционирования транспортного комплекса России составляет более 3,5 млрд. долл. США и продолжает расти.

Всё это ставит перед отечественными изготовителями проблему серьёзного совершенствования системы питания двигателя. Успешное решение поставленной проблемы возможно только при глубоком анализе физико-химических процессов, протекающих в цилиндрах дизелей, создании новых теоретических положений и практических методов, направленных на снижение токсичных выбросов двигателей. В связи с этим, создание экологически чистых дизельных энергоустановок при обеспечении снижения расхода топливо-смазочных материалов стало преобладающей тенденцией в развитии энергетики страны.

Таким образом, актуальность решения экологических проблем автотранспорта путем совершенствования имеющихся способов улучшения эксплуатационных показателей автотранспортных дизелей и разработки новых направлений в этой сфере приобретает всё большее значение.

Целью исследований является научное обоснование и разработка методов и средств улучшения эксплуатационных показателей работы дизелей путем совершенствования системы питания.

В связи с поставленной целью сформулированы основные задачи:

- обосновать необходимость и разработать концепцию комплексного подхода улучшения эксплуатационных показателей работы дизелей путем совершенствования системы питания;

- на основе анализа физико-химических процессов, протекающих в цилиндрах дизелей, обосновать и разработать многоуровневую, иерархически организованную топологическую схему и модель процессов деструкции топлива и образования продуктов сгорания топлива;

- разработать алгоритм, методику и программное обеспечение расчета концентрации токсичных компонентов ОГ;

- создать модульный комплекс конструкторских разработок системы питания, обеспечивающий улучшение эксплуатационных показателей дизельных энергоустановок;

- провести комплексные исследования эксплуатационных показателей автотракторных дизелей при внедрении конструкторских разработок системы питания;

- разработать рекомендации по применению модульных конструкторских разработок системы питания, направленных на минимизацию токсичных выбросов дизелей;

- оценить эффективность разработанных методов и средств и дать технико-экономическую оценку их применения на конкретных дизельных энергоустановках.

Методы исследований включали: теоретический анализ и обобщение результатов предшествующих работ, математическое и физическое моделирование процессов, протекающих в системах и цилиндрах дизелей, проведение экспериментальных исследований с использованием стандартных методов и методик, современных приборов с автоматической регистрацией и применением ЭВМ. Обработка опытных данных, их графическое представление выполнялись в приложениях ЕХСЕЬ-2003 и МаМаЬ-У. Основной объем экспериментальных работ выполнен в период 1997...2006 г.г. на дизелях Д-243, ГАЗ-544.10, ЯМЗ-236 и КамАЗ-740.

Достоверность научных положений, выводов, результатов исследований и рекомендаций обоснована выбором физических моделей, базирующихся на фундаментальных теориях горения, законах термодинамики и тепломассообмена, адекватностью результатов экспериментальных исследований, внедрением разработок автора в производство и их функционированием.

Научной иовизной диссертационной работы являются следующие положения:

- концепция комплексного подхода улучшения эксплуатационных показателей работы дизелей путем совершенствования системы питания;

- многоуровневая, иерархически организованная топологическая схема и математическая модель, позволяющие определять состав продуктов сгорания дизельных энергоустановок;

- алгоритм и методика расчета концентрации токсичных компонентов в ОГ дизельных энергоустановок;

- модульный комплекс конструкторских разработок системы питания, состоящий из электронной муфты опережения впрыска топлива, системы топли-воподачи дизеля с разгрузочным клапаном, электронного всережимного регулятора частоты вращения двигателя, системы рециркуляции и фильтрации отработавших газов (ОГ) двигателя, обеспечивающих улучшение эксплуатационных показателей дизельных энергоустановок.

Практическую значимость работы представляют:

- реализованные результаты диссертационной работы, позволяющие определить эффективность известных и вновь созданных модульных конструкторских разработок системы питания, направленные на повышение топливной экономичности и уменьшения токсичности работы дизелей;

- модель, методика и программа расчета состава продуктов сгорания дизельных энергоустановок, позволяющие прогнозировать экологические показатели дизеля и проводить имитационные эксперименты по оценке влияния условий сгорания топлива на токсичность ОГ;

- модульный комплекс устройств систем питания, осуществляющий принцип многоцелевой унификации дизельных энергоустановок, новизна которых подтверждена 5 патентами;

- действующая установка на базе модульных конструкторских разработок системы питания, обеспечивающих улучшение эксплуатационных показателей дизельной энергоустановки.

Реализация результатов работы осуществлена в виде разработанных программных продуктов «Программа для ЭВМ № 2006612767 per. 04.08.2006 г. «Расчет продуктов сгорания» 1.0», «Программа для ЭВМ №2006612989 «Расчет трудоемкости работ по техническому обслуживанию и ремонту автомобильного транспорта» 1.0» per. 21.08.2006 г., и рекомендаций их использования, которые внедрены и используются в учебном процессе СПб ГАУ.

Результаты исследований внедрены в ОСП Автобаза СПб ГУП «Горэлек-тротранс», СПб ГУП «Пассажиравтотранс», ОАО «Автоарматура», ОАО «Управление механизации-1», ОАО «Механический завод», ЗАО «Опытно-экспериментальная мебельная фабрика».

На защиту выносятся перечисленные выше основные результаты, имеющие научную новизну и практическую значимость.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и одобрены на ежегодных международных научно-практических конференциях «Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей», СПб, 1997-2007 г.; на научно-техническом семинаре «Научные и практические вопросы совершенствования автономных источников систем энергоснабжения военно-строительных комплексов», СПб, 1998 г.; на постоянно действующем научно-техническом семинаре стран СНГ, СПб, 1999,г.; на IV Международной научно-практической конференции «Автомобиль и техносфера» ICATS' 2005, Казань, 2005 г.; на IX Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы, СПб, 2005 г.; на VII международной конференции «Организация и безопасность дорожного движения в крупных городах», СПб, 2006 г.

Публикации. Результаты исследований по теме диссертационной работы изложены в 47 работах, в том числе 7 - в центральных изданиях, в 1 монографии, в 5 патентах, на 5 конференциях международного и всесоюзного уровня, 2 свидетельствах о регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 260 страницах, в том числе 200 страницах машинописного текста, 75 рисунках, 22 таблицах, 3-х приложениях и состоит из введения, 7 глав, заключения, списка литературы из 160 наименований и приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Экологические проблемы и пути их реализации при эксплуатации дизельных

энергоустановок

Конструктивные особенности системы питания дизелей рассматривались для наиболее распространенных топливных систем непосредственного действия с рядными и распределительными топливными насосами высокого давления и механическим регулятором. В последнее время наблюдается тенденция к производству насосов с подвесными секциями, позволяющими повысить давление и интенсивность впрыска топлива.

К преимуществу насосов распределительного типа можно отнести значительно меньшее усилие управления золотником или дозатором, осуществляющим изменение цикловой подачи, что позволяет упростить конструкцию регулятора и различных корректирующих устройств.

В конструкциях рядных и распределительных топливных насосов высокого давления наиболее широко распространено дозирование цикловой подачи отсечкой в конце подачи. К преимуществам этого способа следует отнести неизменное начало подачи и возможность получения малых цикловых подач. Главными недостатками дозирования отсечкой является нарушение регулировочных параметров в результате износа кромок на плунжере и в отверстии втулки, что нарушает равномерность и момент подачи топлива к форсунке. Отмечается большая чувствительность к гидравлическому сопротивлению элементов системы питания, потому что отсечка топлива в конце нагнетания является источником колебаний в полости высокого давления и топливопроводах, что при известных условиях вызывает подвпрыски топлива форсункой.

Влияние эксплуатационных показателей автотранспортных дизелей на экологическую безопасность можно оценить по прогнозу соотношения вредных выбросов всего автомобильного парка и их суммарных пробегов. Так российские КамАзы и белорусские МАЗы, доля которых в автомобильном парке на международных перевозках составляет 11% и 33 % , сегодня с трудом могут удовлетворить нормам Евро - II. В том числе современное состояние технологии производства ДВС и систем ограничения их токсичности у ведущих мировых лидеров позволяет выполнить жесткие требования стандарта Евро -IV с минимальным запасом на увеличение при эксплуатации. Выполнение этих норм в эксплуатационных условиях без использования специальных мероприятий по снижению токсичности ОГ в процессе выпуска, не достигнуто еще ни одним из производителей двигателей.

Методы и средства уменьшения вредных веществ в выбросах при эксплуатации энергоустановок можно разделить на следующие направления.

Совершенствование системы питания дизеля, оптимизация параметров впускного (наддувочного) воздуха, предполагает: применение наддува и управление температурой наддувочного воздуха; увлажнение впускного воздуха; рециркуляцию ОГ (с предварительной очисткой, охлаждением, конвертацией); применение кавитационных гомогенизаторов дизельного топлива; турбулиза-цию заряда с целью получения гомогенного смесеобразования; очистку картер-ных газов, поступающих на впуск и т.д.

Улучшение параметров рабочего процесса дизеля и совершенствование законов топливоподачи представляет более широкие возможности для снижения токсичности ОГ. К ним относятся впрыск воды в цилиндры; оптимизация состава смеси; оптимизация характеристик работы муфты опережения впрыска и законов подачи топлива; управление температурой охлаждающей жидкости и масла; применение систем отключения цилиндров.

Широко применяется совершенствование системы выпуска отработавших газов, дооборудование её средствами очистки, например применение нейтрализаторов ОГ и дожигателей токсичных компонентов; установка фильтров-сажеуловителей различной формы и конструкции; создание систем комплексной очистки ОГ.

Используются также предварительная подготовка или обработка дизельного топлива, моторного масла, применение добавок и присадок, альтернативных видов топлива; конструктивные мероприятия, направленные на улучшение экологических показателей.

Выполненный анализ изменения мощности и топливной экономичности, показателя «затраты-эффективность», токсичности ОГ дизельных энергоустановок, в том числе отечественных автотранспортных дизелей позволил разработать концепцию комплексного подхода улучшения эксплуатационных показателей работы дизелей путем разработки модульного комплекса устройств, способствующих совершенствованию систем питания, рециркуляции и очистки отработавших газов.

При анализе современных теорий и моделей процесса сгорания топлива рассматривались работы Семенова Н.К., Зельдовича Я.Б., Свиридова Ю.Б., Смайлиса В.И. и др. Согласно теории Я.Б. Зельдовича, уравнения термодинамического равновесия представляют собой условия минимума свободной энергии системы, которые достигаются всегда экспоненциальным образом. При этом процесс рассматривается при постоянных объеме и температуре и заданном числе атомов. Ограничения применения теории заключаются в том, что взаимодействие молекул считается достаточно малым и газ рассматривается как совершенный, и доказательство существования и единственности решения для системы уравнении равновесия справедливо только в случае замкнутой системы.

В результате анализа исследований бимолекулярных и неразветвленных цепных реакций, выделены следующие основные закономерности. Кислород в соединениях с азотом образует соединения практически равноценные газообразному кислороду; встроенный в углеводородную молекулу азот создаёт энергетически активные комплексы - ОЫСН, СНЫ, ОЫСО, ОЫС; химическая энергия горения передается азоту с образованием возбужденного азота; для "процессов, протекающих с переменной температурой, характерно существование процессов «закалки», при этом получается смесь с неравновесным составом, отвечающим тому моменту, при котором было предпринято охлаждение. В качестве ограничений рассмотренных исследований необходимо отметить, что в расчетах применялся метод квазистационарных концентраций.

Рассмотрев особенности разветвленных цепных реакций горения, установлено, что при переменных температурах процесса «закалить» радикалы й атомы нельзя, они рекомбинируют без преодоления какого-либо существенного акти-вационного барьера, поэтому концентрация активных центров в пламени, сравнимая с концентрациями горючих компонентов.

Таким образом, химическая энергия исходных горючих компонентов переходит частично в химическую энергию вновь образовавшихся центров с ненасыщенными валентностями - активных комплексов и только при их рекомбинации превращается в тепло. Равновесное состояние системы определяется балансом активных комплексов и центров, при этом процессы сгорания относятся к многостадийным превращениям в одной зоне и в разных зонах - фазах, через образование активных комплексов, зон-комплексов и квадратичное взаимодействие цепей.

Моделирование процессов деструкции топлива и образования продуктов сгорания

На основании системного подхода анализа физико-химических процессов, протекающих в цилиндрах дизелей, разработаны многоуровневая, иерархически организованная топологическая схема, математическая модель и методика исследования процесса образования продуктов сгорания топлива в дизелях, ме-

тодика и программа оценки концентрации токсичных компонентов в ОГ дизельных энергоустановках.

В разработанной методологии анализа деструкции топлива в камере сгорания дизелей предлагается исследуемые процессы рассматривать как многофазный процесс в многокомпонентной системе. При моделировании, используя системный подход, выделены три уровня иерархии построенной топологической схемы, где рассматриваются процессы образования продуктов сгорания топлива.

На каждом уровне иерархии модели решаются сходные вопросы, позволяющие осуществить единую методологию изучения разработки научных основ, методов, моделей и их оптимизации, разработки и экспериментального исследования элементов и всего процессов в целом. Таким образом, процесс образования продуктов сгорания топлива рассматривается как взаимодействия в термодинамической системе, для которых на всех уровнях составляют функциональные и топологические модели, математические описания и систему ограничений.

На первом этапе построенной модели рассматривается условие равновесия системы, в том числе на первом уровне этапа за основу структурной функциональной модели принимается дифференциальное уравнение Ван-дер-Ваальса для бинарных систем, которое определяет условие равновесия бинарных двухфазных систем и является справедливым для любых двух сосуществующих фаз. Решение данной системы в обшей форме дают известные законы Гиббса-Коновалова,

На втором уровне этапа рассматривается условие равновесия системы для многокомпонентной двухфазной системы

г^т\р,=р\ср'п^<р: (о

За переменные состояния принимаются давление р, температуру Т и молярные ДОЛ!! X/, хл ... х,,./.компонентов, которые подчиняются условию

п-\

5>/='. • (2)

1=1 =

Используя уравнение равновесия бинарной системы для каждой пары, составляющей систему, записываются дифференциальные уравнения, определяющие условия равновесия многокомпонентных двухфазных систем,

НИй......Ь-

которое можно применять как для систем без химических превращений, так и для систем с химическими превращениями, так как частные производные

8

функции Гиббса по молярным дробям, образовавшихся в результате химических превращений веществ, равны нулю.

На третьем уровне этапа рассматривается условие равновесия для многофазной многокомпонентной системы, как равновесие первой фазы и каждой из г фазы, и для п компонентной и г фазной системы записывается система из (г-1) дифференциальных уравнений условия равновесия, где верхние индексы при величинах указывают номер фазы.

Система уравнений (4) линейна относительно дифференциалов от давления и термодинамических потенциалов, а также выполняются условия

На втором этапе построенной модели рассматривается стабильность фаз системы, которая определяется знаком вторых производных функции Гиббса.

На третьем этапе построенной модели рассматривается условие существования экстремума систем, из которого следует, что многокомпонентная многофазная система будет моновариантная, и состав одной фазы системы можно представить через остальные в виде линейного преобразования путем их смешения в определенной пропорции.

Методика определения количественного и качественного состава продуктов сгорания топлива основана на перечисленных закономерностях, которые позволяют построить топологию термодинамической системы - процессов смесеобразования и сгорания топливовоздушной смеси. Рассматриваемые процессы относятся к многостадийным превращениям с образованием активных центров и комплексов в одной или в разных зонах - фазах, сопровождаемые квадратичными взаимодействиями.

Во всей совокупности веществ или на многограннике материального баланса, выделяется ряд последовательных зон с различными физическими свойствами — зоны прогрева вещества, тепловыделения в узких зонах химических реакций, зоны индукционного режима горения.

Таким образом, используя системный подход, строится термодинамическая модель, в которой многообразие веществ и радикалов, участвующих в реакциях сгорания

[14, О, ОН, Н-, Н, Н02, 02Н2, СН-, СНг, НС1Ч , N11-, N112, N0,1Ч02,1Ч20, N0,

со,со2,с...],

(4)

(5)

представляется топологическим пространством Т, которое включает области равновесного состояния Тр, и активных зон Т, (таблица 1), состоящие из систем с общими свойствами,

Т с [Тр с (Ти + Тк) + Т, с (М + Я)]. (6)

Область равновесного состояния Тр включает область Ти, состоящей из систем исходных веществ, и области Тк, состоящей из систем конечных веществ, которые образуются при условии прохождения реакций до равновесного состояния.

Область активных зон 7J состоит из зоны М активных комплексов и зоны Я активных центров/!;. Реакции, протекающие внутри зон, рассматриваются как взаимодействие комплексов и радикалов, систем, ограниченных поверхностью раздела, то есть взаимодействие систем можно рассматривать как взаимодействие фаз. Также возможно взаимодействие фаз, принадлежащих разным зонам, и взаимодействие фаз с системами из области равновесного состояния Тг В результате проходящих реакций, системы переходят в равновесное состояние, которое определяется условиями фазового равновесия.

Таким образом, для каждой системы зон М, Я и области Т, определяются условия равновесия фаз по составу и значению химического потенциала в интервале значений давления и температур.

Для этого процесс деструкции топливо-воздушной смеси рассматривается как взаимодействие веществ, заданных материальным балансом. Для составления материального баланса термодинамические системы задаются списками из я веществ ¥р где у = {1 ... л}, и т элементов Х-„ где г = {1 ... т} так, что любое у вещество Yj состоит только из /' элементов X,- с учетом их стехиометрических коэффициентов.

Таблица 1 - Топология термодинамической системы

Пространство Т

Область Т„ Область Т,

ти Системы исходных веществ Системы активных комплексов

Ы2, Н2, 02, СтН„ М ОЫСН, ОЫСО + Н, 01МС + Н СШ+О

ОЫ+НС 01МН+С ОНС+Ы С№ОН

С1МН, СМ+Н, СН + N

тк Системы конечных веществ, которые образуются при условии прохождения реакций до конца Я Системы активных центров

со2, со, н2о СН2, СН, СНз

N0, N02, N203 НО, Н02, Н202

Для исследования разработанной модели и ее элементов использовалась разработанная программа «Расчет продуктов сгорания», с помощью которой определялись экстремальные состояния систем или концентрация веществ в узловых точках, материального баланса для рассматриваемого варианта (рисунок 1) в виде множеств {£,-}.

Разработанная программа позволяет также определять экстремальное состояние систем при условии максимума двух и более элементов, что соответст-

вует узловым точкам систем активных комплексов К-, - Lv)... L2I термодинамической модели, например L|9- максимум веществ {ON+HC} (рисунок 1).

В результате расчета получен массив данных, позволяющий построить многогранник материального баланса, удовлетворяющий начальным условиям расчета и отображающий возможные изменения состояния систем в соответствии с изменением температурно-диффузионных характеристик процесса смесеобразования и сгорания топлива. На многограннике материального баланса веществ был определен разрешимый уровень взаимопревращений компонентов, составляющих систему.

Для каждого состояния системы определялись значения функции Гиббса и на многограннике материального баланса построена поверхность функции Гиббса и ее изолинии (рисунок 1). В качестве исходного состояния термодинамической модели Т системы принимаются множества из области равновесных состояний Гр, для которых значения функции энергии Гиббса имеют максимальные значения: система Р<> {тах О } Ф0 = -15385 кДж/моль, которая располагается в центре многогранника, и система Pi {тах N2 } Ф/ = -16457 кДж/моль, вершина многогранника материального баланса.

Для определения равновесного состояния системы необходимо рассмотреть полученные результаты - поверхность функции Гиббса на существование экстремума. Построенная поверхность функции Гиббса имеет локальные минимумы, возникающие из-за взаимодействия области активных комплексов и области активных центров (рисунок 1). Каждому минимуму соответствует градиент функции Гиббса, определяющий наиболее вероятное развитие' процессов деструкции смеси.

На всей поверхности функции Гиббса установлено четыре вектора градиента функции Гиббса в направлении систем: множества Р8 области активных комплексов К2, множества PiS области активных комплексов К/, множества Pi7 области конечного равновесия Тк, множества Р26 области активных центров А2, которые в исследовании на экстремум рассматриваются в порядке убывания градиента функции Гиббса:

Р2beA2eR Р26 {тах Н02 } =-16836 кДж/моль;"

Р,5 еК, е M Р|5 {шах ONCO + Н} Ф,$ = -19558 кДж/моль;

Р8 е К2 е M Р8 {тах ON + СН} Ф8 = -19818 кДж/моль;

Р,7 е Тк Р,7 {тах N203} Ф17= -21328 кДж/моль.

Таким образом, анализ термодинамической модели Т процесса образования продуктов сгорания начинается в направлении от исходного состояния -системы множеств Р0 и Pi, к равновесному состоянию первого минимума функции Гиббса - области активных центров А2 с [Р25 {ОН}, Р26 {Н02}, Р27 {Н202}, Р28 {НОН}], в направлении множества Р26 {Н02}, где активированные центры систем {HÔ2}, {НОН}, {Н202} формируют зону стабильных равновесных состояний (уровень замкнутых изолиний функции Гиббса, координата точки на поверхности х=0,3346 и у=-0,3, рисунок 1).

Используя разработанную программу, по установленному алгоритму расчета определяется фазовое равновесие систем области активных центров А2 -множество {Z|}, в котором наблюдается локальное равновесие систем Р25, Р26, Р27, Р28 (состояние на поверхности показано стрелкой, рисунок 1). Состав множества {Z|} соответствует концентрации веществ равновесного состояния сис-

тем области активных центров А2, которому соответствует значение функции Гиббса - ФР1.

В направлении второго минимума функции Гиббса - области активных комплексов М с К, с [Р16 {ОСШ}, Р|5 {01ЧС0 + Н}, Р,4 {01МС + Н}, Р,3 {CHN + О}], образуется несколько локальных зон равновесия фаз, сдвигая равновесное состояние систем в сторону множества Р]5 {01МС0 + Н}. Исходной точкой в расчетах является множество которое определяется пересечением равно-

весного уровня функции Гиббса Фр, с вектором градиента функции Гиббса Ф{5 множества Р,5, тах {¿>N00 + Н}.

Далее по установленному алгоритму определяется фазовое равновесие систем области систем активных комплексов К1 — множество ^22} (координата точки на поверхности х=-0,5027 и у=-0,07927, рисунок 2) и рассматривается локальное равновесие множеств {¿2\} и \Ъ22}. В итоге, решая систему уравнений фазового равновесия для этих множеств, получают состав множества ^2}, которому соответствует значение функции Гиббса - Фр2.

В направлении третьего и четвертого градиента функции Гиббса модели рассматривается аналогично развитие процесса деструкции топливо-воздушной смеси в области активных комплексов К2 с [Р8 {ОЫ + НС}, Р9 {ОТЧН + С}, Р!0 {ОНС + 1М}, Р,| {СК + ОН}] и в области систем конечного состояния Тк а [Р17 {N,03 }, Р]8 {N,0}, Р19 {Ы02} Р2(, {N0}], соответственно.

Равновесный уровень Фр4 можно считать устойчивым равновесным состоянием термодинамической системы Т, которое определяет состав продуктов сгорания топливно-воздушиой смеси.

Рисунок 1 - Термодинамическая модель процесса образования продуктов сгорания -первый градиент функции Гиббса

Рисунок 2 - Термодинамическая модель процесса образования продуктов сгорания -второй градиент функции Гиббса

Разработанные математическая модель, топологическая схема, методика исследования процесса образования и программа расчета состава продуктов сгорания топлива позволяют:

- оценить взаимодействие активных комплексов и центров, которые устанавливают соотношение равновесных и реально возможных состояний систем термодинамической модели процесса сгорания,

- оценить на основании рассмотрения градиента концентрации или равновесного уровня функции Гиббса возможность образования конечных продуктов сгорания - ССЬ, сажи, углеводородов, оксидов азота.

В результате моделирования процесса деструкции топливо-воздушной смеси определены экстремальные концентрации продуктов сгорания в отработавших газах дизеля, в том числе для оксидов азота и углерода, углеводородов.

Результаты исследований процессов смесеобразования и сгорания топливо-воздушной смеси

Анализ распределения уровней равного потенциала термодинамической модели в зависимости от значений угла опережения впрыска топлива проводился по разработанной методике термодинамического анализа процесса сгорания топливо-воздушной смеси. Используя предложенную методику расчета, были построены диаграммы состояния, определяющие состав отработавших газов в зависимости от времени, отводимого на смесеобразование и сгорание топлива, организации процесса сгорания топлива - значений угла опережения и давления впрыска топлива, разработаны алгоритм и методика расчета концентрации токсичных компонентов в ОГ дизельных энергоустановок.

Исследованиями установлено, что максимально возможный уровень, так же как и равновесный уровень функции Гиббса не достигаться в реальных условиях сгорания в дизелях. Разрешимый термодинамический уровень определяется временем, отводимым на смесеобразование и сгорание топлива в дизеле.

Весь процесс сгорания разбивается на временные интервалы г», Т/, т2 и г? -время задержки воспламенения, период возрастания температур до максимальных значений и период наблюдения температур и от максимальных значений до конца такта расширения, которые определены по результатам индицирова-ния рабочего процесса двигателя.

Временной интервал т0 значительно меньше термодинамически возможного времени (р, достижения множества {^1}, что ограничивает развитие процесса в области первого градиента равновесного уровня функции Гиббса Фр/. Таким образом, достижимое состояние будет множество {Р|}, которому соответствует уровень функции Гиббса Фд; (координата точки х=0,186 и у=-0,1483 и значение Фд/ = -23590кДж/(кг град) на треугольнике материального баланса, рисунок 1) и смещает развитие процесса в направлении второго градиента.

Время наблюдения максимальных температур цикла г, > <р2 и т2> <рз или основного процесса сгорания не накладывают ограничения на развитие процесса сгорания. Поэтому термодинамически возможно достижение равновесного уровня в направлении второго и третьего градиента, однако равновесное состояние смещается из-за изменения исходного уровня функции Гиббса и достигается множество {Р2} в направлении второго градиента функции, которому соответствует уровень Фд2. В направлении третьего градиента функции Гиббса достигается множество {Р3}, которому соответствует уровень Фд3 (координата точки х=-0,2358 и у=0,4 и значение Фл2 = -26637 кДж/(кг град) на треугольнике материального баланса, рисунок 2).

Процесс сгорания завершается на линии расширения, ему соответствует время т4 = 0,426 усл.ед., что меньше термодинамически возможного времени (р4, поэтому стабильный равновесный уровень в данной области недостижим, действительное равновесное состояние смещено в сторону множеств Рц {N0} Р^ {Ы20}. Достижимому равновесному состоянию соответствует множество {Р4} и равновесным уровень Фд4 (координата точки х=-0,5688 и у=-0,5467 и значение Фд2 = -3520 кДж/(кг град) на треугольнике материального баланса, рисунок 3).

Анализ распределения уровней равного потенциала термодинамической модели позволяет установить зависимости изменения состава системы при заданных условиях смесеобразования и сгорания.

При увеличении угла опережения впрыска топлива по сравнению с оптимальным значением уменьшается временной интервал т2, то есть разрешимый уровень функции Гиббса Фр2 не достигается, и достижимое состояние термодинамической системы сместится в сторону третьего градиента функции Гиббса. При этом увеличивается интервал наблюдения максимальных температур цикла Гз. Таким образом, определяя достижимый уровень равного потенциала термодинамической модели сгорания топлива, устанавливаются возможные концентрации продуктов сгорания в зависимости от изменения угла опережения впрыскивания топлива.

Уменьшение установочного угла опережения взыска топлива сокращает время протекания подготовительных процессов сгорания топлива ти, при этом достижимое состояние термодинамической системы сместится в сторону второго градиента функции Гиббса. Сокращается также время наблюдения максимальных температур Г/ и т2, таким образом, увеличивается продолжительность временного интервала соответствующего четвертому градиенту функции Гиб-

бса. Сокращение времени наблюдения максимальных температур определяет уменьшение образования оксидов азота, но при этом увеличивается количество несгоревших углеводородов (рисунок 4).

Рисунок 3 - Термодинамическая модель процесса образования продуктов сгорания четвертый градиент функции Гиббса

Разработанные алгоритм и методика расчета концентрации токсичных компонентов в ОГ дизельных энергоустановок позволяют изучить зависимость изменения концентрации токсичных компонентов в отработавших газах от скорости развития процесса сгорания топлива или условий сгорания топливо-воздушной смеси.

Разработанные модель и методика позволяют исследовать влияние изменение давления начала впрыска топлива на образование продуктов сгорания и состав ОГ дизельных энергоустановок. Уменьшение давления начала впрыска топлива от значений 17,5 МПа до 14,5 МПа увеличивает время протекания подготовительных процессов сгорания топлива т0 и уменьшает время наблюдений максимальных температур т>.и т2. Таким образом, достижимый равновесный уровень термодинамической модели определяется в области второго и третьего градиента, что в целом снижает значение оксидов азота и увеличивает содержание углеводородов в ОГ дизеля.

При увеличении давления начала впрыска топлива от значений 17,5 МПа до 20,5 МПа уменьшается время протекания подготовительных процессов сгорания топлива т0 и время наблюдений максимальных температур т> и т2, что сдвигает достижимый уровень функции Гиббса термодинамической модели вправо и в целом увеличивает содержание оксидов азота в ОГ и уменьшает выброс углеводородов. Справедливость данных предположений в построенной модели подтверждается соответствием полученных расчетных значений концентраций составляющих ОГ экспериментальным данным (рисунок 5).

1200

N0,

ррт

1000

300

600

400

200

18

20

22

24

26

28

30

32

450

СН,

400 ррт

- 350 300 250 200 150 100

- 50

0

34 а

- МО.РРП!. эксперимент

- СН, эксперимент

- N0, расчетные значения

- СН, расчетные значения

Рисунок 4 - Изменение состава отработавших газов дизеля Д-243 в зависимости от значений угла опережения впрыска топлива

1500 л

СН, N. ррт

1200

19 20 21 давление впрыскивание Рф

Рисунок 5 - Изменение состава отработавших газов дизеля Д-243 в зависимости от значения давления впрыска топлива

Моделирование и методика расчета состава ОГ дизельных энергоустановок в зависимости от режима работы дизеля учитывает увеличение цикловой подачи топлива с ростом нагрузки. Для каждого режима - изменение нагрузки на определенной скоростной характеристике строится многогранник материального баланса, который рассчитывается по соотношению топлива - воздух.

При изменении нагрузки продолжительность сгорания также изменяется. Для одного скоростного режима при увеличении нагрузки время наблюдения максимальных температур увеличивается, что в целом соответствует увеличению оксидов азота в ОГ дизеля. Содержание углеводородов в ОГ также растет, так как увеличивается время наблюдения процесса в направлении третьего и четвертого градиента функции Гиббса.

Предлагаемые алгоритм, методика и программный продукт «Программа для ЭВМ №2006612767 рег. 04.08.2006 г. Расчет продуктов сгорания 1.0» позволяют изучить зависимость изменения концентрации токсичных компонентов в отработавших газах от скорости развития процесса сгорания топлива; оценить взаимодействие активных комплексов и центров, которые устанавливают соотношение равновесных и реально возможных состояний систем термодинамической модели процесса сгорания.

По результатам проведенных теоретических и экспериментальных исследований процесса сгорания топлива и образования токсичных компонентов ОГ, разработана концепция комплексного подхода улучшения эксплуатационных показателей работы дизелей путем совершенствования системы питания, реализующая полученные математические модели и расчетные методы.

Численным моделированием подтверждена и дана количественная оценка влияния значений регулировочных параметров топливной аппаратуры, нагрузки и скоростного режима работы дизеля на токсичность ОГ.

Разработанная программа расчета продуктов сгорания позволяет, используя предложенную методику анализа и расчета сгорания топливо-воздушной смеси, прогнозировать и проводить диагностику состояния топливной системы двигателя, а также определять соответствие современным нормативам токсичности выбросов дизеля. Точность прогнозирования составляет 10-15 %.

Улучшение эксплуатационных показателей дизеля путем рециркуляции и фильтрации отработавших газов

На основе разработанной концепция комплексного подхода улучшения эксплуатационных показателей работы дизелей для уменьшения выброса оксидов азота, углеводородов и твердых частиц был разработан и исследован комплексный модуль системы питания - рециркуляции и фильтрации отработавших газов.

При исследовании модуля рециркуляции было установлено, что при степени рециркуляции до 2/3 незначительно увеличивается (на 5 %) выброс оксидов углерода (СО) по сравнению со штатным режимом. Однако, негативное влияние рециркуляции ОГ начинает проявляться на нагрузочных режимах соответствующих 50 %, и достигает величины 0,38 % по СО при 90 % нагрузки, что является недопустимым С. пругпй г.топоны иг.опеповяниями установлено, что применение рециркуляции ОГ позволяет при степени рециркуляции, равной 3/3, получить снижение выбросов оксидов азота до 60 %. Такие результаты можно объяснить снижением максимальных температур цикла, имеющих непосредственное влияние на выбросы оксиды азота.

С точки зрения оптимизации режимов работы модуля рециркуляции ОГ по выбросам твёрдых частиц и оксидов азота, необходимо уменьшать степень рециркуляции ОГ и по возможности не применять на нагрузочных режимах выше 50 %. Выбросы углеводородов мало зависят от нагрузки, однако, применение рециркуляции в количестве 1/3 несколько увеличивает выбросы СН, но дальнейшее увеличение степени рециркуляции оказывает положительное влияние и позволяет снизить выбросы углеводородов на 60 ... 70 %.

Анализируя полученные зависимости изменения эффективных показателей дизеля можно утверждать, что с увеличением степени рециркуляции эффективная мощность дизеля падает, особенно эта закономерность проявляется в диапазоне Ре свыше 0,7 МПа, т.е. в режиме нагрузок, близких к максимальным (рисунок 6).

Таким образом, с увеличением нагрузки дизеля рециркуляция ухудшает процессы смесеобразования и сгорания, и, следовательно, с точки зрения потерь мощности, рециркуляцию целесообразно применять на режимах, не превышающих % от максимальных нагрузок двигателя.

V. кЦ| 60

40 20 0

(л, КГ;'1

10 8 Л

-4—............

"е, Г/кВт* Ч

709 600 № 4№ 300 200 100

От

1.........1

0,1 0.2 0,3 0,4 0,1 0,6 0.7 0.8 0.9 1,0 Ре, МПа

ражим без рециркуляции .рециркуляция 1/3 ¡¿¿цирнулмция 2/3 рециркухитщ 3/3

Рисунок 6 - Изменение ткхнико-зкономических показателей работы дизеля в зависимости от значения нагрузки п = 1700 мин"1

Исследуя закономерность изменения удельного эффективного расхода топлива, можно заметить, что с увеличением рециркуляции ОГ экономичность двигателя первоначально несколько улучшается; что проявляется на режимах, не превышающих У* от максимальной нагрузки (Рс. = 0,05...0,65 МПа). Однако, при увеличении рециркуляции ОГ более 2/3 экономичность начинает ухудшаться. То есть подтверждает ранее сделанное предположение о применении рециркуляции на режимах, не превышающих 75 % от максимальной нагрузки.

Таким образом, исследования показали, что удовлетворение перспективных норм на токсичность ОГ дизелей возможно только при создании комплексного модуля системы питания. Рассматривая воздушный, тазовый и рециркуляционный тракты дизеля как единую взаимосвязанную систему впуска-выпуска и рециркуляции ОГ, для достижения целевых параметров токсичности был разработан комплексный модуль системы питания - устройство управления процессами газообмена и очистки ОГ - нейтрализатор - фильтр, устанавливаемые в выпускной системе дизеля. В этом случае получена система очистки ОГ, которая максимально компенсирует отрицательное влияние составных устройств модуля на исходный дизельный процесс

Модуль фильтрации имеет керамический сажевый фильтр, внутренние поверхности фильтрующих элементов которого могут покрываться каталитическим слоем, или состоять из катализатора и сажевого фильтра, установленных последовательно в выпускном трубопроводе. Конструктивно сажевый фильтр (рисунок 7) представляет собой керамические элементы 1, размещенные в металлическом корпусе 2, к которому присоединен выпускной патрубок 3, отводящий очищенные ОГ в атмосферу, и входной патрубок 4, соединявшийся с выхлопной трубой двигателя.

На входе в сажевый фильтр установлен перепускной клапан 5, который открывается при достижении допустимого противодавления на выпуске ОГ. Керамический элемент уплотняется в корпусе сажеуловителя с помощью высокотемпературного герметика. В качестве наполнителя при производстве фильтрующих элементов использован монофракционный нормальный электрокорунд с зернистостью № 25, который, благодаря узкому фракционному составу зерен,

обеспечивает получение наименее плотной упаковки частиц в материале и, следовательно, наибольший фактический объем пустот, ответственных за образование по-рового пространства керамики.

В качестве глинистого компонента использована глина и бентонит оглаклинский, основным глинообразующим минералом которого является натриевый монтмориллонит. Активная площадь фильтрующих элементов

Рисунок 8 - Керамический элемент с закрытыми в шахматном порядке каналами

увеличена посредством выполнения каналов, которые на входе и выходе заглушаются в шахматном порядке (рисунок 8). Основным недостатком устройства можно считать повышение давления в выпускном коллекторе двигателя. Так противодавление в выпускной системе увеличивается при повышении частоты работы дизеля от 0,02 кг/см* при 600 об/мин до 0,15 кг/см" при 2930 об/мин. При пробеговых испытаниях наблюдается повышение противодавления на частоте около 2500 об/мин и выше до 0,3 кг/см~.

При работе комплексного модуля рециркуляции и фильтрации ОГ увеличивается скорость прохождения потока газов через устройство фильтрации, тем самым ускоряется процесс выведения выхлопных газов и несгоревших частиц, не позволяя им откладываться на деталях двигателя. Увеличение скорости выхода выхлопных газов из рециркуляционного трубопровода во впускной трубопровод увеличивает турбулентность и улучшает степень гомогенности смеси воздуха с выхлопными газами на впуске. При впуске более однородной смеси в цилиндр двигателя происходит более полное сгорание топлива, уменьшается образование несгоревших частиц, что приводит к увеличению ресурса работы двигателя.

фильтрации электродвигателем

Рисунок 9 - Схема установки очистки и рециркуляции ОГ: 1 - двигатель; 2,3 - впускной и выпускной трубопроводы; 4- датчик давления; 5-устройство фильтрации; 6-всасывающее-нагнетающее устройство; 7 - трубопровод рециркуляции; 8 - электродвигатель; 9 - блок управления; 10 - охладитель; 11 - регулируемый клапан

В разработанном комплексном модуле (рисунок 9) всасывающе-нагнетающее устройство производит просасывание всех ОГ через устройство фильтрации и нагнетание части ОГ, предназначенных для рециркуляции, в рециркуляционный трубопровод.

Выполнение всасывающе-нагнетающего устройства в виде проточной цилиндрической камеры с впускным, выпускным и рециркуляционным патрубками позволяет разделить поток очищенных выхлопных газов на две части: ре-циркулируемую и направляемую в атмосферу.

Управляющий сигнал блока управления увеличивает частоту оборотов электродвигателя всасывающе-нагнетающего устройства, увеличивая скорость

вращения ротора. При этом уменьшается давление в выпускном трубопроводе за устройством фильтрации перед всасывающее-нагнетающим устройством, увеличивая разницу давлений до и после устройства фильтрации. В результате увеличивается скорость и расход ОГ, проходящих через устройство фильтрации. Электропривод всасывающе-нагнетающего устройства работает до тех пор, пока датчик давления в выпускном трубопроводе вновь не зафиксирует атмосферное давление перед устройством фильтрации.

В результате осуществляется регулирование скорости прохождения выхлопных газов через устройство фильтрации в случае изменения давления выхлопных газов, вызванном изменением числа оборотов дизеля, и, следовательно, полное выведение несгоревших частиц из двигателя, что увеличивает ресурс его работы.

Система автоматической регенерации керамических элементов сажеуловителя, представленная в виде схемы, была реализована для автобуса и большегрузного автомобиля (рисунок 10).

Применение модуля фильтрации с системой автоматической регенерации дает возможность практически полностью исключить дымление дизелей и выбросы твердых частиц. Это показали стендовые и эксплуатационные исследования (рисунок 11).

Так при проведении испытания на автобусе с повышенным дымлением двигателя установка фильтра привела дымление двигателя в норму. Достигнуто снижение дымности ОГ у грузовых автомобилей и автобусов в 2-3 раза, а на легковых автомобилях - в 5,5 раз. Эффективность очистки достигла 93 - 95 %.

Рисунок 10 - Автоматическая система регенерации сажеуловителя: 1 - дизельный двигатель; 2 - выхлопная труба; 3 -заслонка; 4 - глушитель; 5 -датчик давления; 6 - клапан; 7 - нагнетатель воздуха; 8 - топливный насос; 9 - топливный бак; 10-электромагнитный клапан; 11 - форсунка; 12 - запальная свеча; 13 - сажевый фильтр

Рисунок 11 Внешняя скоро* стная характеристика двигателя КамАЗ-740

—о-о--с

применением модульного комплекса конструкторских разработок; -^й-й— . с

применением модулей рециркуляции и фильтрации ОГ;

—о-о— без

применения модулей

Совершенствование системы питания на основе создания модульных конструкторских устройств Улучшение эксплуатационных показателей работы дизелей путем совершенствования системы питания путем создания комплекса электромеханических конструкторских устройств, включающего в себя муфту автоматического регулирования угла опережения впрыска топлива (УОВТ), разгрузочный клапан и регулятор частоты вращения, и модульный комплекса рециркуляции и фильтрации ОГ. Использование модульного комплекса системы питания направлено на оптимизацию характеристик работы дизельного двигателя в соответствии со скоростным и нагрузочным режимами его работы.

Модульное устройство электромеханической муфты автоматического регулирования УОВТ (Патент на полезную модель RU № 44354, МПК 7 F 02 М 39/00, 59/02, F 02D 1/08, муфта автоматического регулирования УОВТ, рисунок 12) имеет блок управления (рисунок 13), состоящий из управляемого выпрямителя 20 переменного напряжения, которое предварительно формируется преобразователем 18 постоянного напряжения из напряжения, используемого для питания электрооборудования автомобиля.

Рисунок 12 - Устройство муфты автоматического регулирования угла опережения впрыска топлива

1 - корпус муфты; 2 - ведущая полумуфта; 3 - ведомая полумуфта; 4 -подвижная втулка; 5 - шлицевое соединение между ведущей полумуфтой и подвижной втулкой; 6 - шлицевое соединение между подвижной втулкой и ведомой полумуфтой; 7 - пружина; 8 - кулачковый вал ТНВД; 9 - шпонка; 10-электромагнитная катушка; 11 -изолятор; 12 - токоприемник; 13-неподвижный контакт; 14-управляемый источник тока; 15 - центрирующая пробка; 16 - прямоугольный шип; 17-датчик частоты вращения коленчатого вала двигателя

Сигнал, требуемый для управления выпрямителем, формирует частотно-аналоговый преобразователь 19 от датчика положения коленчатого вала 17 (ДПКВ), который определяет частоту вращения коленчатого вала двигателя по зубчатой шкале, размещенной непосредственно на корпусе муфты. В конструкции модуля использован немеханический привод управления, что позволяет уменьшить инерционность работы устройства в целом и сделать его габариты минимальными. Величина угла поворота определяется угловым смещением ведомой полумуфты относительно ведущей полумуфты, которое определяется линейным перемещением подвижной втулки по косым шлицам за счет электромагнитного привода - обмотки электромагнита, взаимодействующей с подвижной втулкой и управляемой силой тока, величина которого пропорциональна частоте вращения коленчатого вала двигателя.

Рисунок 13 - Блок-схема управляемого источника тока

14 - управляемый источник тока (рисунок 1); 18 - преобразователь напряжения; 19 - частотно-аналоговый преобразователь; 20 - управляемый выпрямитель; А -вход от источника постоянного напряжения; В - выход; С - вход от датчика частоты вращения

Отсутствие дополнительных кинематических связей увеличивает точность изменения УОВТ за счет пропорциональности силы магнитного поля от величины силы тока, подаваемого на катушку. Электромагнитная катушка используется в качестве единственного привода, воздействующего на подвижную втулку, что уменьшает вес и габариты муфты; исключение промежуточных рабочих тел сокращает длительность цикла регулирования, уменьшает инерционность регулирования и упрощает конструкцию в целом.

<

При неработающем двигателе на входе частотно-аналогового преобразователя отсутствует сигнал от датчика, из-за чего на входе «С» управляемого выпрямителя отсутствует управляющее напряжение. В этом состоянии в управляемом выпрямителе происходит полное падение напряжения, что проявляется наличием нулевого напряжения управления на выходе «В» управляемого источника тока, из-за чего в электромагнитной катушке отсутствует ток. Подвижная втулка под действием пружины находится в исходном крайнем левом положении УОВТ является исходным.

При работе двигателя вращение приводного вала двигателя передается корпусу и ведущей полумуфте. Далее, посредством шлицевых соединений через подвижную втулку вращение передается на ведомую полумуфту, а затем, посредством шпонки на кулачковый вал ТНВД.

С увеличением частоты вращения увеличивается управляющий ток, смещение втулки поворачивает ведомую полумуфту, увеличивая УОВТ. При максимальном числе оборотов двигателя кулачковый вал ТНВД смещен в направлении вращения на максимальный угол, при котором пружина полностью сжата и дальнейшее увеличение частоты вращения коленчатого вала не вызывает изменения величины УОВТ. Угол сохраняется постоянным до снижения числа оборотов двигателя, когда последовательно уменьшаются: частота сигнала, поступающего на вход «С» управляемого источника тока; напряжение управления на выходе «В» управляемого источника тока; сила тока, проходящая в электромагнитной катушке; сила магнитного поля, воздействующая на втулку. В результате подвижная втулка под действием сжатой пружины перемещается влево, поворачивая кулачковый вал с помощью ведомой полумуфты в сторону уменьшения УОВТ.

Установка в магистрали высокого давления в непосредственной близости от форсунки дополнительного разгрузочного устройства, срабатывающего в конце впрыска топлива, обеспечивает увеличение скорости падения давления внутри форсунки. Управление этим устройством осуществляется согласующим контроллером, который координирует угол поворота коленчатого вала и момент окончания впрыска топлива, открывая разгрузочный клапан, быстро изменяющего давление в топливопроводе до величины, определяющей закрытие иглы.

Таким режимом подачи топлива обеспечиваются условия, улучшающие работу форсунки: увеличится скорость падения давления внутри форсунки; полностью исключится подвпрыск топлива; исключается закоксовывание распылителя форсунки, возникающее при проникновении горячих газов в распылитель при распылении топлива под низким давлением, что улучшает режим работы форсунки и топливо - экологических показатели всего двигателя.

В топливоподающей системы дизеля [Патент на полезную модель RU № 41807, МПК 7 F 02 М 37/00, 55/02, F 02 D 41/00. Система топливоподачи дизеля], схема которой для одного цилиндра включает одну форсунку и, соответственно, одну секцию ТНВД (рисунок 14), в сливной топливопровод от форсунки 4 врезан разгрузочный топливопровод 5, соединенный с разгрузочным клапаном 6, расположенным на штуцере 2 форсунки.

отТНВД

Рисунок 14 - Система топливопода-чи дизеля с разгрузочным клапаном: I - топливопровод высокого давления; 2 - топливоприемный штуцер;

3 - форсунка с иглой;

4 -сливной топливопровод от форсунок;

5 - разгрузочный топливопровод; 6 - разгрузочный клапан; 7 - блок электронного управления;

8 - электрическая управляющая цепь;

9 - датчик положения коленчатого вала;

10 - шкала датчика на коленчатом валу

Разработанный модуль - разгрузочный клапан (рисунок 15), выполненный в виде нормально открытого электромагнитного клапана с золотником 14 - 17, поддерживает давление топлива в топливопроводе равным остаточному давлению, величина которого является меньшей, чем давление, при котором происходит отсечка подачи топлива. Таким образом, разгрузочный клапан является регулятором остаточного давления, величина которого определяется усилием, необходимым для открытия золотника.

Разгрузочные топливопроводы соединяют соответствующие им разгрузочные клапана с топливным баком, что исключает потери топлива. Уменьшение их длины достигается присоединением разгрузочных топливопроводов к сливным топливопроводам.

Установка разгрузочного клапана на топливоприемном штуцере, присоединяющем топливопровод высокого давления к форсунке, не требует конструктивных изменений ни форсунки, ни ТНВД. Оставаясь открытым в момент прохождения отраженной волны от ТНВД, разгрузочный клапан исключает возможность изменения давления в подыгольной полости форсунки до следующего впрыска топлива, что предотвращает повторное открытие иглы и исключает подвпрыск топлива.

Рисунок 15 - Конструкции и схема установки на топливоприемном штуцере нормально открытого разгрузочного клапана с золотником: 2* - штуцер форсунки; 11 - запорный клапан; 12 - основание разгрузочного клапана; 13 -корпус разгрузочного клапана; 14 - обмотка электромагнита; 15 - корпус золотника; 16 -золотник; 17, 18 - возвратные пружины золотника и запорного клапана; 19, 20, 21 - пропускные отверстия основания, корпуса и корпуса золотника

СПИВ топлива

Управление разгрузочным клапаном электромагнитное, что дает возможность управлять и длительностью впрыска, так как позволяет закрыть клапан на момент начала впрыска топлива. При этом происходит повышение давление топлива до значения, требуемого для открытия иглы форсунки. При возвращении клапана в исходное открытое состояние в момент отсечки подачи топлива, давление снижается до величины, определяющей закрытие иглы форсунки.

Электронный блок управления формирует управляющие импульсы, подаваемые на обмотки электромагнитов разгрузочных клапанов, что позволяет закрывать их в порядке работы цилиндров дизельного двигателя. Длительность каждого из импульсов управления соответствует времени, необходимому для впрыска топлива.

Датчик положения коленчатого вала определяет момент начала впрыска топлива в первый цилиндр дизеля и частоту, с которой необходимо производить впрыск топлива в цилиндры, в соответствии с частотой вращения коленчатого вала двигателя.

В качестве электронного блока управления 7 для дизеля с 4-мя цилиндрами использован модернизированный электронный блок управления «МИКАС 7.1». В качестве ДПКВ 9 использован индуктивный датчик скорости и частоты вращения, позволяющий определять положение коленчатого вала двигателя и скорость его вращения по шкале 10, выполненной в виде зубчатого колеса.

Одинаковые по размеру зубцы шкалы позволяют формировать ряд последовательных импульсов, а один зуб, увеличенный по длине, позволяет определить нулевую точку, которая соответствует началу впрыска в первый цилиндр двигателя. Последовательность работы цилиндров определяет электронный блок управления 7, а начало этой последовательности определяется позиционированием датчика положения коленчатого вала 9 относительно увеличенного зуба шкалы 10.

Разгрузочный клапан, оставаясь нормально открытым при отсутствии управляющего импульса от электронного блока управления, обеспечивает свободное протекание топлива из полости топливоприемного штуцера 2 в разгрузочный топливопровод. Золотник 16 разгрузочного клапана поддерживает остаточное давление на заданном уровне, величина которого определяется степенью сжатия возвратной пружины золотника 17. Закрытие золотника при снижении давления в полости топливоприемного штуцера исключает обратное движение топлива и подсос воздуха из разгрузочного топливопровода.

Управляющий импульс от блока электронного управления 7 системы ТПС с разработанным модулем разгрузочного клапана поступает на обмотку электромагнита 14 синхронно с открытием нагнетательного клапана соответствующей насосной секции ТНВД. При этом запорный клапан 11 втягивается и перекрывает поток топлива на слив. Это позволяет увеличить давление в топливопроводе, что необходимо для начала впрыска топлива форсункой 3 в камеру сгорания цилиндра. Регулировкой положения ДПКВ 9 относительно шкалы 10 обеспечивают регулировку начала впрыска топлива в первый цилиндр двигателя.

Длительность управляющего импульса, подаваемого на обмотку электромагнита 14, определяет длительность впрыска топлива. Окончание впрыска (отсечка подачи топлива нагнетательным клапаном) совпадает с окончанием подачи управляющего импульса, при этом запорный клапан 11 открывается под воздействием усилия возвратной пружины клапана 18.

Снизив давление до заданной величины остаточного давления, золотник 16 закрывается и удерживается в этом положении, исключая дальнейшее сниже-

ние давления в топливопроводе высокого давления и обратное протекание топлива из разгрузочного топливопровода 5.

В этом состоянии разгрузочный клапан 6 находится до поступления следующего управляющего импульса от электронного блока управления 7, исключая возможность колебания давления топлива внутри топливопровода высокого давления в промежутках между впрысками топлива при прохождении обратной волны топлива, отраженной от нагнетательного клапана.

Количество впрыскиваемого топлива определяется работой модуля ТПС регулятора числа оборотов [Патент на полезную модель Яи № 46814, МПК 7 Р 02 О 31/00, 1/08. Регулятор частоты вращения двигателя]. Предлагаемый модуль позволяет регулировать частоту вращения вала двигателя за счет электрических составляющих, используя жесткие механические и электрические связи между его составными частями, что позволяет увеличить точность и плавность перемещения топливодозирующего органа двигателя в зависимости как от изменения частоты вращения двигателя, так и от нагрузки на его валу.

Регулятор содержит электрическую машину в виде сельсина-двигателя, вал которого кинематически связан с топливодозирующим органом двигателя (рисунок 16). Устройство задания частоты вращения жестко связанно с первым угловым преобразователем, дополнительно включены дифференциальный сельсин, связанный со вторым угловым преобразователем, задатчик угла коррекции, связанный с третьим угловым преобразователем, датчик частоты вращения двигателя и источник переменного тока, который обеспечивает согласование угловых положений сельсина-двигателя и угловых преобразователей.

Выход источника переменного тока параллельно соединен с входами первого, второго и третьего угловых преобразователей и с первым входом сельсина-двигателя. Выходы первого и третьего угловых преобразователей соединены соответственно с первым и вторым входами дифференциального сельсина, выход второго углового преобразователя соединен со вторым входом сельсина-двигателя. Выход датчика частоты вращения двигателя соединен с входом блока управления, выход блока управления соединен с входом задатчика угла коррекции.

Первый и второй угловые преобразователи формируют на выходах трехфазные управляющие сигналы, электрически определяющие угловые величины, задающие соответственно положение устройства задания частоты вращения и угол коррекции. Дифференциальный сельсин выполняет их автоматическое сложение в суммарное угловое перемещение, величина которого определяет

положение вала сельсина-двигателя трехфазным управляющим сигналом на выходе третьего углового преобразователя.

Рисунок ¡6 - Блок-схема регулятора частоты вращения дизельного двигателя

Угол коррекции, формируемый блоком управления, пропорционален разности частот вращения коленчатого вала двигателя и определяется путем сравнения двух последовательно определяемых частот вращения. Датчик частоты вращения двигателя позволяет корректировать скорость перемещения топливодозирующего органа при изменении нагрузки на валу двигателя или при резком изменении частоты вращения двигателя. Кинематическая связь вала сельсина-двигателя с топливодозирующим органом топливного насоса осуществляется с помощью различных механических передач, в том числе реечной, рычажной, преобразующих вращательное движение вала сельсина-двигателя в перемещение топливодозирующего органа.

Угловые преобразователи 2, 4, 10 модуля ТПС регулятора (рисунок 17) выполнены в виде трехфазных сельсинов-датчиков, в качестве устройства задания частоты вращения использована педаль 1 подачи топлива, в качестве задат-чика угла коррекции использован поляризованный электромагнитный исполнительный орган 9, а блок управления 8 включает частотомер 14, сумматор 15 и цифрово-аналоговый преобразователь 16.

Использование в качестве угловых преобразователей сельсинов-датчиков увеличивает плавность и точность перемещения топливодозирующего органа, поскольку по принципу действия сельсин представляет собой поворотный трансформатор высокой статической и динамической точности, у которого при вращении ротора происходит плавное изменение взаимной индуктивности между его обмотками - однофазной первичной (обмоткой возбуждения) и трехфазной вторичной (обмоткой синхронизации). Передачу электрических сигналов обеспечивает использование индикаторного режима работы сельсинов.

Рисунок 17 - Схема регулятора частоты вращения дизельного двигателя:

1 - педаль подачи топлива; 2 -сельсин-датчик первый; 3 -дифференциальный сельсин; 4 - сельсин-датчик второй; 5 -сельсин-двигатель; 6 - топливный насос высокого давления;

7 - датчик частоты вращения;

8 - блок управления; 9 - поляризованный исполнительный орган; 10 - сельсин-датчик третий; 11 - источник переменного тока; 12 - шестерня; 13 - рейка топливного насоса; 14 - частотомер; 15 - сумматор; 16 - цифрово-аналоговый преобразователь; 17 - обмотка исполнительного органа; 18 - якорь исполнительного органа; 19 -конденсатор

При изменении положения педали в направлении увеличения топливопо-дачи, например, нажатием на нее, изменяется положение ротора Р1 первого

сельсина-датчика регулятора числа оборотов двигателя. На нем формируется трехфазный сигнал управления, поступающий на обмотку статора С1 дифференциального сельсина, вызывая синхронный и синфазный поворот его ротора Р2 на угол, равный углу изменения положения педали. Поскольку валы дифференциального сельсина и второго сельсина-датчика жестко связаны, на выходе второго сельсина-датчика сформируется соответствующий новому угловому положению его ротора РЗ трехфазный электрический сигнал.

Сигнал поступит на вход сельсина-двигателя, создаст пропорциональный вращающий момент на его валу, что за счет кинематической связи плавно и точно переместит топливную рейку в направлении увеличения подачи топлива в двигатель. Уменьшение числа оборотов двигателя происходит при отпускании педали подачи топлива. При этом ротор Р1 первого сельсина-датчика повернется в обратном направлении, на его выходе сформируется соответствующий новому углу положения педали трехфазный сигнал управления, магнитный поток статора С1, а затем и ротор Р2 дифференциального сельсина повернутся на соответствующий угол до согласования их магнитных потоков, что вызовет поворот ротора РЗ второго сельсина-датчика, а затем вала сельсина-двигателя и топливной рейки в направлении уменьшения подачи топлива.

Для учета нагрузки на двигателе датчик периодически регистрирует частоту вращения вала двигателя, значение которой определяется с помощью частотомера в равные интервалы времени. Сумматор вычисляет разность между двумя последовательно определенными значениями частоты вращения, а циф-рово-аналоговый преобразователь формирует пропорциональный разности частоты вращения сигнал управления, который поступает на обмотку исполнительного органа и поворачивает его якорь в ту или другую стороны в зависимости от полярности сигнала управления.

Сформированный сигнал с выхода третьего сельсина-датчика передается на обмотку ротора Р2 дифференциального сельсина и соответственно уменьшает или увеличивает заданный педалью угол поворота его ротора, что позволяет регулировать число оборотов двигателя в зависимости от нагрузки на нем. В результате число оборотов двигателя может изменяться до первоначально установленного положением педали подачи топлива. При неизменном положении педали подачи топлива и совпадении последовательно определяемых датчиком и блоком управления частот вращения двигателя изменение положения топливной рейки не происходит.

Созданный модульный комплекс конструкторских разработок системы питания, новизна которых подтверждена патентами, состоящий из электронной муфты опережения впрыска топлива, электронного всережимного регулятора частоты вращения двигателя, системы рециркуляции и фильтрации отработавших газов двигателя, системы топливоподачи с разгрузочным клапаном, осуществляет принцип многоцелевой унификации дизельных энергоустановок и может быть применен для автотранспортных дизельных двигателей. Исследования разработанного модульного комплекса поводились при установке конструкторских разработок на дизелях Д-243 № 547800, КамАЗ-740 № 09752, ЯМЗ-236 №418915, ГАЗ-544.10 № 00003720.

Исследованиями изменения эксплуатационных показателей дизелей на базе созданной экспериментальной установки установлено, что внедрение модульных конструкторских разработок системы питания позволяет улучшить эксплуатационные показатели дизельных энергоустановок: снизить расход топлива на 4...6% при увеличении мощности на 2...4%; уменьшить выброс сажи

на 40....50%; углеводородов до 70%; оксидов азота в 3 раза - от 1500 ррт до 500 ррт (рисунки 11, 18).

Комплексный подход к улучшению эксплуатационных показателей дизелей путем применения модульных конструкторских разработок системы питания позволил разработать рекомендации по снижению выбросов токсичных компонентов до уровня норм Евро-Ш автотранспортных дизелей.

Рисунок 18 - Измене-

Сзжа, ед Ьош

0 -

СО. % 1,6 -

0,8 -0,4 -I

NO.,

ррт

- 1500

• 1000

- 500

- 0

сн,

ррт

- 100

- 50

- 0

ние токсичности работы КамАЗ-740 при внедрении конструкторских разработок

—о-о--с применением модульного комплекса конструкторских разработок

—й-й—- с применением модулей рециркуляции и фильтрации ОГ —°-о—-без применения модулей

1200 1400 1600 2200 2600П, об/мин

Методика исследований эффективности использования способов и средств улучшения эксплуатационных показателей работы дизеля

Методика исследований термодинамической модели процесса образования продуктов сгорания состоит в использовании программного комплекса, который включает три основные связанные между собой элемента - программа «Моделирование», сервер MatLab и база данных для хранения результатов моделирования.

Разработанная модель физико-химических процессов образования продуктов сгорания переведена на алгоритмический язык, разработаны пользовательские интерфейсы программы.

Программа «Моделирование» предназначена для управления процессом моделирования, установки начальных значений процесса, управления результатами вычислительного эксперимента. Программа разработана в среде Borland Delphi 2006 и имеет механизмы взаимодействия с другими элементами программного комплекса через механизм BDE для доступа к базе данных и через механизм СОМ для управления сервером MatLab.

Интерфейс программы реализован в виде страничных закладок. Каждая из закладок предназначена для решения промежуточного шага метода моделиро-

30

вания: элементный состав смеси, исходное состояние системы, авторасчет, комплекс, функция Гиббса, графические инструменты. Вычисления выполняются автоматически, предусмотрен также ручной расчет для проверки выборочных данных и сохранение промежуточных результатов расчета в Excel.

Для графического отображения результатов используются функции сервера MatLab, который обладает хорошо развитыми графическими возможностями для визуализации данных и позволяет строить графики функций в линейном, логарифмическом и полулогарифмическом масштабах.

Программа экспериментальных исследований предусматривала стендовые и эксплуатационные исследования по оценке влияния параметров работы разработанных модулей системы питания: электронной муфты опережения впрыска топлива, электронного всережимного регулятора частоты вращения двигателя; комплексного модуля рециркуляции и фильтрации ОГ на улучшение эксплуатационных показателей дизельных энергоустановок.

Стендовые и эксплуатационные исследования разработанных модулей системы питания проводились на базе Санкт-Петербургского ГОУ СПО «Автотранспортный и электромеханический колледж» в соответствии с существующими ГОСТ. В качестве газоанализатора использовался диагностический комплекс TECHNOTEST и газоанализатор BOSCH-3.25C), включающий в себя блоки для измерения дымности ОГ, определения содержания оксидов углерода и азота, углеводородов. Индицирование давления в цилиндре двигателя проводилось с помощью микроэлектронного преобразователя избыточного давления МИДА-ДИ-55П и 12-ти разрядного АЦП.

Экономическая эффективность и рекомендации по улучшению эксплуатационных показателей работы дизелей при внедрении модулей системы питания

Экономическая эффективность от внедрения разработанных модулей системы питания определена с учетом снижения отрицательного воздействия на окружающею среду, улучшение ее состояния, уменьшение уровня загрязнения, увеличение количества и улучшение качества пригодных к использованию земельных, лесных и водных ресурсов; социально-экономический - повышение уровня жизни населения; социальный - улучшение физического развития населения, сокращения заболеваемости, увеличение продолжительности жизни и периода активной деятельности, улучшений условий труда и отдыха, сохранение природных и антропогенных ландшафтов, памятников природы.

Результаты расчета внедрения разработанных модулей системы питания показали, что срок окупаемости разработанных систем - два года. Экономический эффект от внедрения модулей системы питания на предприятиях СПб ГУП «Пассажиравтотранс», обеспечивающих достижение норм Евро-Ill, составит 156 млн. руб. с учетом цен 2006 года.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1 В результате теоретических и экспериментальных исследований научно обоснована и разработана концепция комплексного подхода улучшения эксплуатационных показателей работы дизелей путем разработки модульного комплекса устройств, направленных на совершенствование систем питания, рециркуляции и очистки отработавших газов.

2 На основе системного подхода анализа физико-химических процессов, протекающих в цилиндрах дизелей, разработаны многоуровневая, иерархически организованная топологическая схема и математическая модель, позволяющие оценить соотношение равновесных и реально возможных состояний систем термодинамической модели процесса сгорания, и определить состав продуктов сгорания.

3 Предлагаемые алгоритм, методика и программный продукт «Программа для ЭВМ №2006612767 per. 04.08.2006 г. Расчет продуктов сгорания 1.0» позволяют изучить зависимость изменения концентрации токсичных компонентов в отработавших газах от скорости развития процесса сгорания топлива, значений регулировочных параметров топливной аппаратуры.

Разработанная программа расчета продуктов сгорания позволяет прогнозировать и проводить диагностику состояния топливоподающей системы двигателя, а также определять соответствие современным нормативам токсичности выбросов дизеля. Точность прогнозирования составляет 10 - 15 %.

4 Создан модульный комплекс конструкторских разработок системы питания, новизна которых подтверждена 5 патентами, состоящий из электронной муфты опережения впрыска топлива, электронного всережимного регулятора частоты вращения двигателя, системы рециркуляции и фильтрации отработавших газов двигателя, обеспечивающий улучшение эксплуатационных показателей дизельных энергоустановок.

5 Комплексными исследованиями эксплуатационных показателей автотракторных дизелей установлено, что внедрение модульных конструкторских разработок системы питания позволяют улучшить эксплуатационные показатели дизельных энергоустановок: снизить расход топлива на 4...6% при увеличении мощности на 2...4%; уменьшить выброс сажи на 40....50%; углеводородов до 70%; оксидов азота на п 3 раза - от 1500 ррт до 500 ррт.

1 6 Комплексный подход к улучшению эксплуатационных показателей дизелей путем применения модульных конструкторских разработок системы питания позволил разработать рекомендации по снижению выбросов токсичных компонентов до уровня норм Евро-Ш дизелей Д-243, КамАЗ-740, ЯМЗ-256, ГАЗ-544.10.

7 Экономическая эффективность от внедрения разработанных модулей системы питания определена с учетом снижение отрицательного воздействия на окружающую среду, улучшение ее состояния, уменьшение уровня загрязнения, увеличение количества и улучшение качества пригодных к использованию земельных, лесных и водных ресурсов; социально-экономический - повышение уровня жизни населения; социальный - улучшение физического развития населения, сокращения заболеваемости, увеличение продолжительности жизни и периода активной деятельности, улучшений условий труда и отдыха, сохранение природных и антропогенных ландшафтов, памятников природы.

В результате выполненных расчетов только для предприятий СПб ГУП «Пассажиравтотранс» экономический эффект составляет 156 млн. руб. в ценах 2006 г. при выполнении норм Евро-Ш и сроке окупаемости 2 года.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

1 Корабельников, С.К. Регулятор числа оборотов двигателя. С.К. Корабельни-

ков [Текст] - СПб.: Журнал «Двигателестроение», 2005, № 2 (220). - с. 30-34.

2 Корабельников, С.К. Муфта автоматического регулирования угла опережения впрыска топлива. С.К. Корабельников [Текст] - СПб.: Журнал «Двигателестроение», 2005, № 3 (221 ). - с. 40-43.

3 Корабельников, С.К. Применение термодинамического анализа при исследовании многофазных систем. С.К. Корабельников [Текст] //Научно-технические ведомости СПбГТУ, №1 (43), 2006. - с. 72-76.

4 Корабельников, С.К. Методология экологической оценки работы двигателей внутреннего сгорания. Т.Ю. Салова, С.К. Корабельников [Текст] //Научно-технические ведомости СПбГТУ, №1 (43), 2006. - с. 90-98.

5 Корабельников, С.К. Комплексная модернизация выпускной системы двигателя как одно из средств борьбы с лесными пожарами. С.К. Корабельников [Текст] //СПб Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии, № 178, 2006. с. 87-95.

6 Корабельников, С.К. Комплексная модификация дизельного двигателя для снижения нагрузки на окружающую среду. С.К. Корабельников [Текст] //Научно-технические ведомости СПбГТУ, №2, 2009. - с. 92-98.

7 Корабельников, С.К. Исследования условии образования оксидов азота в процессе сгорания топлив. С.К. Корабельников, Т.Ю. Салова [Текст] //Научно-технические ведомости СПбГТУ, №2, 2009. - с. 105-113.

8 Корабельников С.К., Оценка возможности модернизации морально устаревшей автотракторной техники. Картошкин А.П., Корабельников С.К. [Текст] //Известия Санкт-Петербургского государственного Аграрного университета. Ежеквартальный научный журнал, № 16. СПб , 2009 - с. 169-172.

9 Корабельников, С.К. Токсичность отработавших газов дизелей и пути ее уменьшения. A.A. Капустин, С.К. Корабельников [Текст] // Улучшение эффективных, экологических и ресурсных показателей энергетических установок сельскохозяйственных тракторов и автомобилей. - Сб.науч.тр.. - СПб, 1997. - с. 102.

10 Корабельников, С.К. Улучшение экологических показателей дизелей переводом на газовое топливо и улавливанием сажевых частиц в ОГ керамическим фильтром. A.A. Капустин, С.К. Корабельников [Текст] // Улучшение эффективных, экологических и ресурсных показателей энергетических установок сельскохозяйственных тракторов и автомобилей. - Сб.науч.тр.. - СПб, 1997. - с. 132.

11 Корабельников, С.К. Улучшение экологических показателей дизелей средствами фильтрации и нейтрализации отработавших газов. С.К. Корабельников [Текст] // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей. - Тез.докл. 23 - 25 апреля 1997 год. - СПб, 1997. - с. 92.

12 Корабельников, С.К. Требования к экологическим показателям дизельных автомобилей и автобусов. A.A. Капустин, С.К. Корабельников [Текст] // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей. -Тез.докл. 23 - 25 апреля 1997год. - СПб, 1997. - с. 94.

13 Корабельников, С.К. Проблема улучшения топливно-экономических и экологических показателей дизелей. А.А.Капустин, С.К. Корабельников, Д.В. Мельников [Текст] // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей. - Тез.докл. март 1998 год. - СПб, 1998. - с. 20.

14 Корабельников, С.К. Увеличение производства газодизелей, развитие топливно-энергетического комплекса. A.A. Капустин, С.К. Корабельников, Д.В.

33

Мельников [Текст] // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей. - Тез.докл. март 1998 год. - СПб, 1998. - с. 21.

15 Корабельников, С.К. Исследования гидравлического сопротивления керамического сажеуловителя. А.А.Капустин, С.К. Корабельников [Текст] // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей. -Тез.докл. март 1998 год,- СПб, 1998, - с. 23.

16 Корабельников, С.К. Разработка конструкций сажеуловителей и исследование процессов нейтрализации отработавших газов транспортного дизеля. А.А.Капустин, С.К. Корабельников [Текст] // Экология, экономика и безопасность автомобиля. - Сб. науч. тр. - СПб, 1998. - с. 8.

17 Корабельников, С.К. Снижение токсичности отработавших газов дизелей сажеуловителями-нейтрализаторами. А.А.Капустин, С.К. Корабельников [Текст] // Сборник докладов научно-технического семинара «Научные и практические вопросы совершенствования автономных источников систем энергоснабжения военно-строительных комплексов». - Выпуск 4. - СПб, 1998. - с. 44.

18 Корабельников, С.К. Пути повышения показателей безопасности движения и экологии окружающей среды на промышленном транспорте. В.В. Говоров, А.А.Капустин, С.К. Корабельников [Текст] // «Инженер путей сообщения». -Выпуск 6. - СПб: ПГУПС. - 1998. - с. 17.

19 Корабельников, С.К. Передвижные станции технического контроля автомашин для предприятий железнодорожного транспорта. В.В. Говоров, А.А.Капустин, С.К. Корабельников [Текст] // «Инженер путей сообщения». -Выпуск 6.-СПб: ПГУПС, - 1998.-с. 19.

20 Корабельников, С.К. Результаты эксплуатационных испытаний сажеуловителей отработавших газов дизелей. А.А.Капустин, С.К. Корабельников. [Текст] // Тез. докл. постоянно действующего научно-технического семинара стран СНГ. - СПб-Пушкин, 1999. - с. 42.

21 Корабельников, С.К. Снижение дымности отработавших газов дизелей путем научного обоснования, создания и применения сажеуловителей в системе выпуска. С.К. Корабельников. [Текст] // Автореферат диссертации на соискание степени канд.техн.наук. - СПб: СПбГАУ, 2000.

22 Корабельников, С.К. Снижение дымности отработавших газов дизелей путем научного обоснования, создания и применения сажеуловителей в системе выпуска. С.К. Корабельников [Текст] //Дисс.на соиск.учен.степ. канд.техн.наук. - СПб: СПбГАУ, 2000.

23 Корабельников, С.К. Автоматические системы автомобилей. Опорный конспект. С.К. Корабельников, Ю.Л. Тихонов. [Текст] - ГОУ «АТК», 2002.

24 Корабельников, С.К. Лабораторный практикум по ТО автомобилей. С.К. Корабельников, И.Ф. Кузьменков, С.К. Волнухин, A.A. Рыженков, А.Л. Евдоки-менко. [Текст] - ГОУ «АТК», 2003.

25 Корабельников, С.К.Средства борьбы с закоксовыванием дизельного двигателя. С.К. Корабельников [Текст] // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей: Сб. науч. тр. междунар. науч.-техн. Конф. - СПб, 2004.-с. 106.

26 Корабельников, С.К.Многоцелевая энергетическая установка с улучшенными топливо-экономическими и экологическими показателями. С.К. Корабельников [Текст] // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей: Сб. науч. тр. междунар. науч.-техн. Конф. - СПб, 2004. -с. 110.

27 Корабельников, С.К.Аккумулирующая форсунка с многоуровневым распылителем. С.К. Корабельников [Текст] // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей: Сб. науч. тр. междунар. науч.-техн. Конф. -СПб, 2004.-с. 113.

28 Корабельников, С.К. Комплексная система снижения токсичности отработавших газов дизеля. A.B. Николаеико, С.К. Корабельников, A.A. Рыженков [Текст] // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей: Сб. науч. тр. междунар. науч.-техн. Конф. - СПб, 2004. - с. 367376.

29 Корабельников, С.К. Способы улучшения эксплуатационных и экологических показателей автотракторного дизеля. С.К. Корабельников, A.A.. Рыженков. [Текст] // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей: Сб. науч. тр. междунар. науч.-техн. Конф. - СПб, 2004. - с. 376-379.

30 Корабельников, С.К. Аккумулирующая форсунка с многоуровневым распылителем. С.К. Корабельников [Текст] // Улучшение эксплуатационных показателей транспортных средств: Сборник трудов СГ16ГАСЭ. Выпуск 2. - СПб.: Изд-во СПбГАСЭ, 2004. - с. 111. '

31 Корабельников, С.К. Направления оптимизации улучшения эксплуатационных и экологических показателей автотракторного дизеля. С.К. Корабельников, A.A. Рыженков. [Текст] //Улучшение эксплуатационных показателей транспортных средств: Сборник трудов СПбГАСЭ. Выпуск 2. - СПб.: Изд-во СПбГАСЭ, 2004. - с. 122.

32 Корабельников, С.К. Термодинамический анализ процессов смесеобразования и сгорания топлива при различных условиях работы двигателя. Т.Ю. Сало-ва, С.К. Корабельников. [Текст] //IV Международной научно-практической конференции «Автомобиль и техносфера» ICATS' 2005. - Казань, 2005. - с. 183.

33 Корабельников, С.К. Модель воздействия впрыскиваемой в цилиндр воды на рабочий процесс бензинового двигателя. Т.Ю. Салова, А.Г. Курмашев, С.К. Корабельников. [Текст] // IV Международной научно-практической конференции «Автомобиль и техносфера» 1CATS' 2005. - Казань, 2005. - 184.

34 Корабельников, С.К. Особенности конструкции алюминиевых автомобильных радиаторов. Г.А. Курмашев, С.К. Корабельников. [Текст] // IV Международной научно-практической конференции «Автомобиль и техносфера» ICATS' 2005. - Казань, 2005. - с.155.

35 Корабельников С.К. [Текст] Алгоритм расчета образования продуктов сгорания при различных условиях смесеобразования. Фундаментальные исследования в технических университетах: Материалы IX Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы. 18-19 мая 2005 года, Санкт-Петербург. СПб.: Изд-во Политехи. Ун-та, 2005.-е. 254-255.

36 Корабельников, С.К. Некоторые аспекты термодинамического анализа многофазных систем. Т.Ю. Салова, С.К. Корабельников [Текст] //Прогрессивные технологии в аграрной науке: Сборник научных трудов. Санкт-Петербургский государственный аграрный универси тет, 2005. - с. 208-218.

37 Корабельников, С.К. Анализ многостадийных химических превращений в пламенах. Т.Ю. Салова, С.К. Корабельников [Текст] //Прогрессивные технологии в аграрной науке: Сборник научных трудов. Санкт-Петербургский государственный аграрный университет, 2005. - с. 218-226.

35

38 Корабельников, С.К. Многоцелевая унификация дизеля по эксплуатационным показателям. С.К. Корабельников [Текст] // СПб.: Издательство «Инфо-да», 2006, 158 с.

39 Корабельников, С.К. Направления и способы улучшения эксплуатационных и экологических показателей автотракторного дизеля. С.К. Корабельников, А.Л. Рыженков [Текст] // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей: Сб. науч. тр. междунар. науч.-техн. конф. - СПб, 2006.-с. 149-153.

40 Патент на полезную модель Яи № 38028, МПК 7 Р 02 М 65/00. Аккумулирующая форсунка. [Текст] С.К. Корабельников, оп. 20.05.2004. Бюл. №14.

41 Патент на полезную модель 1Ш № 41807, МПК 7 Р 02 М 37/00, 55/02, Р 02 Б 41/00. Система топливоподачи дизеля. [Текст] С.К. Корабельников, оп. 10.11.2004. Бюл. №31.

42 Патент на полезную модель Яи № 44354, МПК 7 Р 02 М 39/00, 59/02, Р 02 О 1/08. Муфта автоматического регулирования угла опережения впрыска топлива. [Текст] С.К. Корабельников, Р.В. Воронцов, оп. 10.03.2005 .

43 Патент на полезную модель ГШ № 45468, МПК 7 Р 01 N 9/00, Р 02 В 35/00. Система очистки и рециркуляции выхлопных газов дизельного двигателя. [Текст] С.К. Корабельников, А.А. Капустин, А.А. Рыженков, оп. 10.05.2005.

44 Патент на полезную модель № 46814, МПК 7 ? 02 О 31/00, 1/08. Регулятор частоты вращения двигателя. [Текст] С.К. Корабельников, Р.В. Воронцов, оп. 27.07.2005.

45 Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2006612767 «Расчет продуктов сгорания» 1.0. [Текст] С.К. Корабельников, Т.Ю. Салова, рег. 04.08.2006.

46 Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2006612989 «Расчет трудоемкости работ по техническому обслуживанию и ремонту автомобильного транспорта» 1.0. [Текст] С.К. Корабельников, рег. 21.08.2006.

47 Корабельников, С.К., Токсичность отработавших газов дизельного двигателя и возможность их снижения с помощью его модификации [Текст] //Организация и безопасность дорожного движения в крупных городах: Сб. докладов седьмой международной конференции. - СПб, 2006. - с. 467-473.

48 Корабельников, С.К. Методика исследования и расчета процессов сгорания и образования продуктов сгорания в ДВС. С.К. Корабельников, Т.Ю. Салова [Текст] //Организация и безопасность дорожного движения в крупных городах: Сб. докладов седьмой международной конференции. - СПб, 2006. - с. 463-467.

49 Корабельников, С.К. Снижение токсичности отработавших газов дизельного двигателя с помощью его комплексной модификации. С.К. Корабельников [Текст] //Улучшение эксплуатационных показателей автомобилей, тракторов и двигателей: Сб. научных трудов международной научно-технической конференции. - СПб, 2009. - с. 66-79.

Пплпигдмп я п»ч?т>

Бумага офсетная. Формат 60x901/16 Печать трафаретная. Усл. печ. л. 2,5 Тираж 100 экз. Заказ 612

Онючаони С орнннуи-чимл» шкимика * коимровцьив-миожигсдыюч цопрс «Д1Ч УС».

СонЮ'-11стерб\рг*1 К миски. \л I Кшмшская. ,т 2К/21, пм.: (ШН51-ЙУ-КК Рег. № 2334119от (17 02.2(101

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ И ПУТИ ИХ РЕАЛИЗАЦИИ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДИЗЕЛЬНЫХ ЭНЕРГОУСТАНОВОК.

1.1 КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ТОПЛИВОПОДАЮЩЕЙ СИСТЕМЫ ДИЗЕЛЕЙ.

1.2 ВЛИЯНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ АВТОТРАНСПОРТНЫХ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА ЭКОЛОГИЧЕСКУЮ БЕЗОПАСНОСТЬ.

1.3 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА УМЕНЬШЕНИЯ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ В ВЫБРОСАХ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭНЕРГОУСТАНОВОК.,.

1.4 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ ТЕОРИЙ И МОДЕЛЕЙ ПРОЦЕССОВ СГОРАНИЯ ТОПЛИВА.

1.4.1 ПРОСТЫЕ БИМОЛЕКУЛЯРНЫЕ РЕАКЦИИ.

1.4.2 ЦЕПНЫЕ РЕАКЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ ВЕЩЕСТВ.

1.4.3 ХИМИЧЕСКИЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ПРИ ПЕРЕМЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ.

1.4.4 ЦЕПНЫЕ РАЗВЕТВЛЕННЫЕ РЕАКЦИИ.

1.4.5 РЕАКЦИИ ПРОЦЕССА ХОЛОДНОГО ДИФФУЗИОННОГО ГОРЕНИЯ

1.4.6 МНОГОСТАДИЙНЫЙ МЕХАНИЗМ ХИМИЧЕСКИХ ПРЕВРАЩЕНИЙ.

1.5 ВЫВОДЫ. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

ГЛАВА 2 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДЕСТРУКЦИИ ТОПЛИВА И ОБРАЗОВАНИЯ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ.

2.1 ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАВНОВЕСНОГО СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ ТОПЛИВО-ВОЗДУХ.

2.1.1 ОСНОВНЫЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ ПРОЦЕССОВ ДЕСТРУКЦИИ ТОПЛИВА.

2.1.2 СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ДЕСТРУКЦИИ ТОПЛИВА.

2.2 МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВЕННОГО И КАЧЕСТВЕННОГО СОСТАВА ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ.

2.2.1 ТОПОЛОГИЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДЕСТРУКЦИИ

ТОПЛИВА И ОБРАЗОВАНИЯ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ.

2.2.2 АЛГОРИМ РАСЧЕТА ФАЗОВОГО РАВНОВЕСИЯ СИСТЕМ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ.

2.2.3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ КОМПОНЕНТОВ ГОРЮЧЕЙ СМЕСИ.

2.2.4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ УРОВНЕЙ РАВНОГО ПОТЕНЦИАЛА

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ.

2.3 ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ И СГОРАНИЯ ТОПЛИВО-ВОЗДУШНОЙ СМЕСИ

3.1 АНАЛИЗ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЕЙ РАВНОГО ПОТЕНЦИАЛА ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ЗНАЧЕНИЙ

УГЛА ОПЕРЕЖЕНИЯ ВПРЫСКА ТОПЛИВА.

3.2 РАСПРЕДЕЛЕНИЕ УРОВНЕЙ РАВНОГО ПОТЕНЦИАЛА ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ДАВЛЕНИЯ ВПРЫСКА ТОПЛИВА.

3.3 МОДЕЛИРОВАНИЕ И МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ РЕЖИМА РАБОТЫ ДИЗЕЛЯ.

3.4 ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 4 УЛУЧШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДИЗЕЛЯ ПУТЕМ РЕЦИРКУЛЯЦИИ И ФИЛЬТРАЦИИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ.

4.1 ИССЛЕДОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАБОТЫ ДИЗЕЛЯ ПРИ ПРИМЕНЕНИИ РЕЦИРКУЛЯЦИИ ОТРАБОТАВШИХ ГХЗОВ.

4.2 ИССЛЕДОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАБОТЫ ДИЗЕЛЯ ПРИ ПРИМЕНЕНИИ ФИЛЬТРАЦИИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ.

4.3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ СНИЖЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ ПРИ ВНЕДРЕНИИ КОМПЛЕКСНОГО МОДУЛЯ РЕЦИРКУЛЯЦИИ И ФИЛЬТРАЦИИ ОГ.

4.4 ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 5 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ ДИЗЕЛЯ ПУТЕМ СОЗДАНИЯ МОДУЛЬНОГО КОМПЛЕКСА КОНСТРУКТОРСКИХ УСТРОЙСТВ.

5.1 МНОГОЦЕЛЕВАЯ УНИФИКАЦИЯ СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ.

5.2 ИССЛЕДОВАНИЕ МОДУЛЬНОГО КОМЛЕКСА КОНСТРУКТОРСКИХ РАЗРАБОТОК.

5.2.1 ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗРАБОТАННОГО МОДУЛЯ -ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ МУФТА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ УГЛА ОПЕРЕЖЕНИЯ ВПРЫСКА ТОПЛИВА.

5.2.2 ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗРАБОТАННОГО МОДУЛЯ - РАЗГРУЗОЧНЫЙ КЛАПАН.

5.2.3 ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗРАБОТАННОГО МОДУЛЯ - РЕГУЛЯТОРА ЧИСЛА ОБОРОТОВ.

5.3 КОМПЛЕКСНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОНСТРУКТОРСКИХ РАЗРАБОТОК СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ.

5.4 ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 6 МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СПОСОБОВ И СРЕДСТВ УЛУЧШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАБОТЫ ДИЗЕЛЯ.

6.1 МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ОБРАЗОВАНИЯ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ.

6.2 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАБОТЫ ДИЗЕЛЕЙ.

6.2.1 ОБЩАЯ МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

6.2.2 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

ГЛАВА 7 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО УЛУЧШЕНИЮ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАБОТЫ ДИЗЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ МНОГОЦЕЛЕВОЙ УНИФИКАЦИИ.

7.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВНЕДРЕНИЯ

МОДИФИЦИРОВАННОГО ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ (МДД).

7.1.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭКОНОМИИ В РАЗМЕРЕ ПЛАТЫ ЗА ВЫБРОСЫ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ ПРИ ВНЕДРЕНИИ МДД.

7.1.2 ФОРМИРОВАНИЕ ЗАТРАТ НА МОДИФИКАЦИЮ ДИЗЕЛЬНОГО

ДВИГАТЕЛЯ.

7Л.З ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВНЕДРЕНИЯ МДД.

7.2 ВЫВОДЫ.

На современном этапе развития общества правомерно говорить о возникновении новой области знаний - «Экология техносферы», которая определяет взаимодействия техносферы, созданной человеком, и окружающей природной среды.

Экологические проблемы по своей общественной значимости вышли на одно из первых мест. Влияние человека на природу происходит как путем преобразования сложившихся в течение тысячелетий естественных систем, так и в результате загрязнения почв, и вод, и воздуха, что привело к резкому ухудшению состояния природы, и часто с необратимыми последствиями. Экологический кризис представляет собой реальную опасность, поскольку в каждом регионе налицо стремительное развитие кризисных ситуаций, которое в значительной степени определяется эксплуатацией мобильной техники.

Одним из принципов достижения экологической безопасности является снижение выбросов, сбросов и отходов экономики, совершенствование методов и средств утилизации отходов.

По данным Министерства транспорта РФ автомобильный парк в России к началу 2003 года составил 27,06 млн. транспортных средств, в том числе 20,12 млн. легковых автомобилей, 4,57 млн. грузовых автомобилей, 0,65 млн. автобусов и 1,72 млн. прицепов и полуприцепов.

К концу 2005 года парк автомобильной техники насчитывал около 31 млн. автомобилей, при этом свыше 50 % парка составляют автомобили старше 10 лет, в зарубежных странах этот показатель составляет: в Европе -28 %, в США - 41 %, в Японии - 22 %.

За 2001 - 2005 годы объем автомобильного рынка увеличился на 18 % при среднем ежегодном росте на 3,5 %. Рост автомобильного рынка в России и возраст парка ставит перед отраслью задачу увеличения выпуска 7 автомобильной техники, отвечающей современным требованиям. Эта задача становится еще более актуальной в условиях предстоящего вступления России в ВТО. Устойчивый рост числа автомобилей, несмотря на ужесточение экологических норм, как в Российской Федерации, так и в мире, ведёт к увеличению числа выбросов токсичных веществ, в среднем в год на 3,1 %. В результате величина ежегодного экологического ущерба от функционирования транспортного комплекса России составляет более 3,5 млрд. долл. США и продолжает расти.

Согласно программе развития отечественной автомобильной промышленности, одобренной Правительством РФ 21 марта 2002 года, с 2004 года заводы-изготовители будут вынуждены прекратить производство автомобилей с двигателями, не соответствующими нормам Евро-2. Более жёсткий стандарт Евро-3 вступит в силу с 2007 года, а очередь Евро-4 наступит с 2010 года.

Всё это ставит перед отечественными изготовителями проблему серьёзного совершенствования систем питания двигателя. Успешное решение поставленной проблемы возможно только при глубоком анализе физико-химических процессов протекающих в цилиндрах дизелей, создании новых теоретических положений и практических методов, направленных на снижение токсичных выбросов двигателей. В связи с этим, создание экологически чистых дизельных энергоустановок при обеспечении снижения расхода топливо - смазочных материалов стало преобладающей тенденцией в развитии энергетики страны.

Таким образом, актуальность решения экологических проблем автотранспорта путем совершенствования имеющихся способов улучшения эксплуатационных показателей автотранспортных дизелей и разработки новых направлений в этой сфере приобретает всё большее значение.

В связи с этим целью данной работы является научное обоснование и разработка методов и средств улучшения эксплуатационных показателей работы дизелей путем совершенствования системы питания. 8

Научной новизной диссертационной работы являются следующие положения:

- концепция комплексного подхода улучшения эксплуатационных показателей работы дизелей путем совершенствования системы питания;

- многоуровневая, иерархически организованная топологическая схема и математическая модель, позволяющие определять состав продуктов сгорания дизельных энергоустановок;

- алгоритм, методика и расчета концентрации токсичных компонентов в ОГ дизельных энергоустановок;

- модульный комплекс конструкторских разработок системы питания, состоящий из электронной муфты опережения впрыска топлива, системы топливоподачи дизеля с разгрузочным клапаном, электронного всережимного регулятора частоты вращения двигателя, системы рециркуляции и фильтрации отработавших газов (ОГ) двигателя, обеспечивающих улучшение эксплуатационных показателей дизельных энергоустановок.

Практическую значимость работы представляют:

- реализованные результаты диссертационной работы, позволяющие определить эффективность известных и вновь созданных модульных конструкторских разработок системы питания, направленные на повышение топливной экономичности и уменьшения токсичности работы дизелей;

- модель, методика и программа расчета состава продуктов сгорания дизельных энергоустановок, позволяющие прогнозировать экологические показатели дизеля и проводить имитационные эксперименты по оценке влияния условий сгорания топлива на токсичность ОГ;

- модульный комплекс устройств систем питания, осуществляющий принцип многоцелевой унификации дизельных энергоустановок, новизна которых подтверждена 5 патентами;

- действующая установка на базе модульных конструкторских разработок системы питания, обеспечивающих улучшение эксплуатационных показателей дизельной энергоустановки.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1 В результате теоретических и экспериментальных исследований научно обоснована и разработана концепция комплексного подхода улучшения эксплуатационных показателей работы дизелей путем разработки модульного комплекса устройств, направленных на совершенствование систем питания, рециркуляции и очистки отработавших газов.

2 На основе системного подхода анализа физико-химических процессов, протекающих в цилиндрах дизелей, разработаны многоуровневая, иерархически организованная топологическая схема и математическая модель, позволяющие оценить соотношение равновесных и реально возможных состояний систем термодинамической модели процесса сгорания, и определить состав продуктов сгорания.

3 Предлагаемые алгоритм, методика и программный продукт «Программа для ЭВМ №2006612767 per. 04.08.2006 г. Расчет продуктов сгорания 1.0» позволяют изучить зависимость изменения концентрации токсичных компонентов в отработавших газах от скорости развития процесса сгорания топлива, значений регулировочных параметров топливной аппаратуры.

Разработанная программа расчета продуктов сгорания позволяет прогнозировать и проводить диагностику состояния топливоподающей системы двигателя, а также определять соответствие современным нормативам токсичности выбросов дизеля. Точность прогнозирования составляет 10 - 15 %.

4 Создан модульный комплекс конструкторских разработок системы питания, новизна которых подтверждена 5 патентами, состоящий из электронной муфты опережения впрыска топлива, электронного всережимного регулятора частоты вращения двигателя, системы рециркуляции и фильтрации отработавших газов двигателя, обеспечивающий улучшение эксплуатационных показателей дизельных энергоустановок.

265

5 Комплексными исследованиями эксплуатационных показателей автотракторных дизелей установлено, что внедрение модульных конструкторских разработок системы питания позволяют улучшить эксплуатационные показатели дизельных энергоустановок: снизить расход топлива на 4.6% при увеличении мощности на 2.4%; уменьшить выброс сажи на 40.50%; углеводородов до 70%; оксидов азота в 3 раза - от 1500 ррт до 500 ррт.

6 Комплексный подход к улучшению эксплуатационных показателей дизелей путем применения модульных конструкторских разработок системы питания позволил разработать рекомендации по снижению выбросов токсичных компонентов до уровня норм Евро-Ш дизелей Д-243, КамАЗ-740, ЯМЗ-236, ГАЗ-544.10.

7 Экономическая эффективность от внедрения разработанных модулей системы питания определена с учетом снижение отрицательного воздействия на окружающею среду, улучшение ее состояния, уменьшение уровня загрязнения, увеличение количества и улучшение качества пригодных к использованию земельных, лесных и водных ресурсов; социально-экономический - повышение уровня жизни населения; социальный -улучшение физического развития населения, сокращения заболеваемости, увеличение продолжительности жизни и периода активной деятельности, улучшений условий труда и отдыха, сохранение природных и антропогенных ландшафтов, памятников природы.

В результате выполненных расчетов только для предприятий СПб ГУЛ «Пассажиравтотранс» экономический эффект составляет 156 млн. руб. в ценах 2006 г. при выполнении норм Евро-Ш и сроке окупаемости 2 года.

1. Автомобильные двигатели. Под ред. М.С. Ховаха. М., "Машиностроение", 1977.

2. Автомобильный справочник. Пер. с англ. М.: ЗАО КЖИ "За рулём", 2002. - с. 356

3. Автомобильный справочник. Перевод с англ. Первое русское издание. М.: Издательство "За рулем", 2000. с. 107-108

4. Анохин В.И. Отечественные автомобили. М.: Машиностроение, 1977.-592 с.

5. Астахов И.В., Трусов В.И., Хачиян A.C. и др. Подача и распыливание в дизелях. Под ред. Астахова И.В М.: Машиностроение, 1979. - 359с.

6. Басевич В .Я., Когарко С.М., Посвянский C.B. Кинетика реакций при распространении метано-кислородного плмни: Расчет и сравнение с экспериментом. ФГВ, 1976, т. 12, № 2, с. 217-222.

7. Бериня Д.Ж., Лапиня И.М. Вредные вещества выбросов автотранспорта и способы изучения их влияния на компоненты наземных экосистем. В кн: Загрязнение природной среды выбросами автотранспорта. -Рига: Зинатне, 1980. 80 с.

8. Блинов А.Д., Голубев П.А., Драган Ю.Е. и др. Под ред B.C. Папонова, A.M. Минеева Современные подходы к созданию дизелей для легковых автомобилей и малотоннажных грузовиков. М.: НИЦ "Инженер", 2000. - 332 с.

9. Боженок Е.И. Исследование способов организации рабочего процесса малотоксичного дизеля: Дисс. канд. техн. наук / ЦНИДИ. Л., 1979. - 182 с.

10. Варшавский И.Л., Малов Р.В. Как обезвредить отработавшие газы автомобиля. М.: Транспорт 1968

11. Веденяпин Г.В. Общая методика экспериментального исследования и обработки опытных данных. М.: Колос, 1973. - 199 с.

12. Вуколович М.П., Новиков И.И. Термодинамика. М.: Машиностроение, 1972. С. 670/

13. Габитов И.И. Обеспечение надежности топливной аппаратуры дизелей сельскохозяйственного назначения в процессе ее эксплуатации.// СПб.: Изд-во СПбГАУ, 2000. с.317

14. Говоров В.В., Капустин A.A., Корабельников С.К. Передвижные станции технического контроля автомашин для предприятий железнодорожного транспорта. // "Инженер путей сообщения". Выпуск 6. -СПб: ПГУПС. - 1998. - с. 19.

15. Говоров В.В., Капустин А.А., Корабельников С.К. Пути повышения показателей безопасности движения и экологии окружающей среды на промышленном транспорте. // "Инженер путей сообщения". -Выпуск 6. СПб: ПГУПС. - 1998. - с. 17.

16. Говорущенко Н.Я. Экономия топлива и снижение токсичности на автомобильном транспорте. М.: Транспорт 1990.

17. Гордон Г.М., Пейсахов И.Л. Пылеулавливание и очистка газов -М.: Металлургия, 1968.

18. Гориславец С.П., Тменов Д.Н., Майоров В.И. Пиролиз углеводородного сырья. Киев.: Наукова думка, 1977. - 308 с.

19. ГОСТ 14846-81 Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний

20. ГОСТ 17.2.2.05-97 Охрана природы. Атмосфера. Нормы и методы определения выбросов вредных веществ с отработавшими газами дизелей тракторов и самоходных сельскохозяйственных машин

21. ГОСТ 18509-88 Дизели тракторные и комбайновые. Методы стендовых испытаний

22. ГОСТ Р 52160-2003 Автотранспортные средства, оснащенные двигателями с воспламенением от сжатия. Дымность отработавших газов, нормы и методы контроля при оценке технического состояния

23. Гоц А. Н., Гаврилов А. А. Моделирование внешних скоростных характеристик двигателя на стадии проектирования // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2003. - N 8. - С. 31-36

24. Денисов В.Н. Рогалёв В. А. Проблемы экологизации автомобильного транспорта. С.-Пб.: МАНЭБ - 2003. - 213 с.

25. Денисов С.И. Улавливание и утилизация пылей и газов М.: Металлургия, 1991.

26. Жегалин О.И., Лупачёв П. Д. Снижение токсичности автомобильных двигателей. М.: Транспорт, 1985. - 120 с.

27. Зайдель А.Н. Элементарные оценки ошибок измерений. JL: Наука, 1967. - 88 с.

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

29. Звонов В.А., Теренченко A.C. Образование оксидов азота при сгорании альтернативных топлив в дизеле. /Автомобильная промышленность. 2003 - №3.

30. Зельдович Я.Б. Доказательство единственности решения уравнений закона действующих масс. ЖФХ. 1938, т.11, вып.5, с.685-687

31. Зельдович Я.Б. Цепные реакции в горячих пламенах -приближенная теория скорости пламени. Кинетика и катализ, 1961, т. 11, вып. 3, с. 305-318

32. Зельдович Я.Б., Садовников П.Я., Франк-Каменецкий Д.А. Окисление азота при горении. М.: АН СССР. 1954, 350 с.

33. Иващенко H.A., Вагнер В.А., Грехов JI.B. Дизельные топливные системы с электронным управлением. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2000. - 112 с.

34. Инструкция по эксплуатации автомобиля ГАЗ-ЗЗОб

35. Капустин A.A., Корабельников С.К. Исследования гидравлического сопротивления керамического сажеуловителя. // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей. -Тез.докл. март 1998 год.- СПб, 1998, с.23.

36. Капустин A.A., Корабельников С.К. Результаты эксплуатационных испытаний сажеуловителей отработавших газов дизелей. // Тез. докл. постоянно действующего научно-технического семинара стран СНГ. СПб-Пушкин, 1999. - с. 42.

37. Капустин A.A., Корабельников C.K. Требования к экологическим показателям дизельных автомобилей и автобусов. // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей. -Тез.докл. 23 25 апреля 1997год. - СПб, 1997. - с. 94.

38. Капустин A.A., Корабельников С.К.Разработка конструкций сажеуловителей и исследование процессов нейтрализации отработавших газов транспортного дизеля. // Экология, экономика и безопасность автомобиля. Сб. науч. тр. - СПб, 1998. - с. 8.

39. Карлов И.В., Прохоров А.М. Лазерное разделение изотопов. УФН. 1976., т.118, вып. 4, с. 583-609

40. Кассандрова О.И., Лебедев В.В. Обработка результатов наблюдений. М.: Наука, 1970. - 104 с.

41. Колчин' А.И. Расчёт автомобильных и тракторных двигателей. — 3-е изд. перераб. и доп. — М.: Высш. шк., 2003. 496 с.

42. Кондратьев В.Н. Кинетика химических газовых реакций. М.: АН СССР, 1958. 688 с.

43. Корабельников С.К. Многоцелевая унификация дизеля по эксплуатационным показателям. Монография. СПб.: Изд-во "Инфо-да", 2006, 158 с.

44. Корабельников С.К. Муфта автоматического регулирования угла опережения впрыска топлива. СПб.: Журнал "Двигателестроение", 2005, № 3 (221).-с. 40-43.

45. Корабельников С.К. Применение термодинамического анализа при исследовании многофазных систем. Научно-технические ведомости СПбГТУ, №1 (43), 2006. с. 72-76.

46. Корабельников C.K. Снижение дымности отработавших газов дизелей путем научного обоснования, создания и применения сажеуловителей в системе выпуска / Диссертация на соискание ученой степени кандидата техн.наук.- СПб.: СПбГАУ, 2000. 147 с.

47. Корабельников С.К. Средства борьбы с закоксовыванием дизельного двигателя. // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей: Сб. науч. тр. междунар. науч.-техн. Конф. СПб, 2004. - с. 106.

48. Корабельников С.К., Капустин A.a., Рыженков A.A. Патент на полезную модель RU № 45468, МПК 7 F 01 N 9/00, F 02 В 35/00. Система очистки и рециркуляции выхлопных газов дизельного двигателя, оп. 10.05.2005 г.

49. Корабельников С.К., Снижение токсичности отработавших газов дизеля с помощью комплексной модификации. //Организация и безопасность дорожного движения в крупных городах: Сб. докладов седьмой международной конференции. СПб, 2006. - с. 467-473.

50. Кратко А.П., Вихерт М.М., Грудский Ю.Г., Шайкин В.И. Влияние фазсгорания в дизеле на содержание компонентов в отработавших газах. // Автомобильная промышленность. М. - 1977. - № 6. с. 9-12.

51. Ксандопуло Г.И., Сагиндыков A.A., Кудотбергенев С.Е., Мансуров З.А. Низкотемпературная зона фронта углеводородных пламен. V. ФГВ, 1975, т. 11, № 6, с. 838-843

52. Кульчицкий А.Р. Токсичность автомобильных и тракторных двигателей. 2-е изд., испр. и доп. М.: Академический Проект, 2004. - 400 с.

53. Курмашев Г.А., Корабельников С.К. Особенности конструкции алюминиевых автомобильных радиаторов. // IV Международной научно-практической конференции "Автомобиль и техносфера" ICATS' 2005. -Казань, 2005. с. 155.

54. Лазурко В.Л., Кудрявцев В.А. Программа обработки индикаторных диаграмм дизелей на алгоритмическом языке Базисный фортран. Труды ЦНИДИ - Л., 1975.

55. Лиханов В.А. Снижение токсичности и улучшение эксплуатационных показателей тракторных дизелей путём применения метанола. Киров: Вятская ГСХА, 2001. 212 с.

56. Лиханов В.А., Сайкин A.M. Снижение токсичности автотракторных дизелей. М.: Колос, 1994. - 224 с.

57. Ловачев Л.А., Басевич В.Я., Коган А.Н., Посвянский B.C. К расчету стационарной зоны реакции на примере пламене Н2 + 02 : О кинетике водородо-воздушного ламинарного пламени. М.: АН СССРю Сер. Хим., 1970, № 6, с. 1256-1263, 1971, №4, с. 881-883

58. Лопатин О.П. Снижение содержания оксидов азота в отработавших газах тракторного дизеля при работе на природном газе путём применения рециркуляции отработавших газов: Дисс. . канд. техн. наук / ВГСХА. Вятка, 2004. - 202 с.

59. Лоскутов A.C., Новосёлов А.Л., Вагнер В.А. Снижение выбросов окислов азота дизелями в атмосферу. Барнаул.:Б.И., 1990, 120 с.

60. Льюис Б., Эльбе Г. Горение, пламя и взрыв в газах. М.: Мир, 1968. 592 с.

61. Марков В.А. Баширов P.M., Габитов И.И. Токсичность отработавших газов дизелей. М.: МГТУ - 2002. - 376 с.

62. Марков В.А., Сравнительная эффективность методов снижения токсичности отработавших газов дизелей / Автомобильная промышленность. -2002-№12 С. 19-23

63. Махов В.В. Макрокинетика сгорания нестационарной периодической топливной струи как научная основа повышения эффективности анализа и прогнозирования сгорания и образования вредных веществ в дизеле. М. 1984. - 355 с.

64. Мехтиев Р.И. Расчёт температуры и динамики образования NO в двигателях с неоднородным зарядом // Двигателестроение. — 1981. № 4. — С. 18-20.

65. Мехтиев Р.И., Джагдиш С.К. К методу расчёта концентрации окиси азота в отработавших газах дизельного двигателя // Конструкция автомобилей. 1978. - № 9. С.25-31.

66. Монахов В.И. Исследование токсичности выпуска тракторного дизеля и выбор эффективного способа ее снижения. Усть-Каменогорск. -1982.-26 с.

67. Николаенко A.B., Корабельников С.К., Рыженков A.A. Комплексная система снижения токсичности отработавших газов дизеля. // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей: Сб. науч. тр. междунар. науч.-техн. Конф. СПб, 2004.

68. Николаенко A.B., Салова Т.Ю., Курмашев Г.А. Оптимизация температурного режима рабочего цикла автомобильного карбюраторного двигателя путём подачи воды с целью снижения выбросов оксидов азота. Санкт-Петербург СПГАУ, 2000, С. 67-72.

69. Патент RU № 2035610 от 20.05.95. Устройство рециркуляции отработавших газов.

70. Патент RU № 2115062 Способ очистки газов, образующихся при сгорании топлива и устройство для его осуществления.

71. Патент RU № 2122740 Устройство для плазменной очистки газов, образующихся при сгорании топлива.

72. Патент RU №2155874 Реактор для нейтрализации токсичных выхлопных газов автомобилей.

73. Патент RU №2189469 С2 от 20.09.2002 Двигатель внутреннего сгорания с устройством дозированной подачи водяного пара.

74. Патент SU 1028863 от 15.07.1983. Двигатель внутреннего сгорания.

75. Патент SU 1165809 от 07.07.1985. Система выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания.

76. Патент SU 1302005 от 07.04.1987. Устройство для рециркуляции отработавших газов двигателя внутреннего сгорания.

77. Патент SU 1451318 от 15.01.1989. Устройство рециркуляции отработавших газов двигателя внутреннего сгорания.

78. Патент SU 1463946 от 07.03.1989. Двигатель внутреннего сгорания.

79. Патент SU 1663222 от 15.07.1991. Способ работы двигателя внутреннего сгорания.

80. Патент SU 1839695 от 30.12.93. Способ снижения содержания окислов азота в отработавших газах двигателя внутреннего сгорания.

81. Патент SU 703043 от 05.12.1979. Устройство для подвода дополнительных газов в систему питания.

82. Патент SU 918467 от 07.04.1982. Четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания.

83. Патент SU № 1502872 от 23.08.89. Система рециркуляции отработавших газов карбюраторного ДВС.

84. Патент SU № 1562507 от 07.05.90. Устройство для регулирования наполнения и рециркуляции отработавших газов.

85. Патент SU № 1590605 от 07.09.90. Двигатель внутреннего сгорания.

86. Патент SU № 1712644 от 15.02.1992. ДВС с системой рециркуляции отработавших газов.

87. Патент Великобритании № 1438764 кл. 123-119А.

88. Патент на полезную модель RU № 41807, МПК 7 F 02 М 37/00, 55/02, F 02 D 41/00. Система топливоподачи дизеля. Корабельников С.К., оп. 10.11.2004 г. Бюл. №31.

89. Патент на полезную модель RU № 44354, МПК 7 F 02 М 39/00, 59/02, F 02 D 1/08. Муфта автоматического регулирования угла опережения впрыска топлива. Корабельников С.К., Воронцов Р.В., оп. 10.03.2005 г.

90. Патент на полезную модель RU № 46814, МПК 7 F 02 D 31/00, 1/08. Регулятор частоты вращения двигателя. Корабельников С.К., Воронцов Р.В., оп. 27.07.2005 г.

91. Патент США №39151134 кл. 123-119А.

92. Патент США № 4020809 кл. 123-119А.

93. Постановление Госплана СССР, Госстроя СССР, Президиума АН СССР №254/284/134 от 21 октября 1983г.

94. Постановление Правительства РФ №344 от 12 июня 2003г. (в ред. Постановления Правительства РФ №410 от 01.07.2005г.)