автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Улучшение эксплуатационных показателей карбюраторного двигателя путем оптимизации параметров впрыскивания воды в камеру сгорания

РГЕ ОД 2 5 щр Ж

На правах рукописи

Курмашев Алексей Геннадьевич

УЛУЧШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАРБЮРАТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ ПУТЕМ ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ВПРЫСКИВАНИЯ ВОДЫ В КАМЕРУ СГОРАНИЯ

Специальности: 05.20.03 - эксплуатация, восстановление

и ремонт сельскохозяйственной техники; 05.04.02 - тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2000

РАБОТА ВЫПОЛНЕНА В САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОМ ГОСУДАРСТВЕННОМ АГРАРНОМ УНИВЕРСИТЕТЕ

Научные руководители: заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Л. В. НшсоллЕНКО; кандидат технических наук Т.Ю. Салона

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

А.А. Зуев,

доктор технических наук, профессор М.Р. Петриченко

Ведущая организация: Северо-западный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства (СЗНИИМЭСХ)

Защита состоится «_ 28 »_ \MOtf>YYiQ\_2000 г. в ¡S — на

заседании диссертационного совета К120.37.05 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Санкт - Петербургском государственном аграрном университете по адресу. 189620, Санкт-Петербург-Пушкин, Санкт-Петербургское шоссе, д. 2, СПбГАУ, ауд. 2719.

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

Автореферат разослан « 2S » Cjlä^lXiL^ 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, проф<

В.Т. Смирнов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. Развитие двигателестроения на современном этапе связано с ростом удельной мощности двигателей. Это вызывает повышенную теплонапряженность деталей, ухудшает рабочий процесс в цилиндре, увеличивает тепловую нагрузку на систему охлаждения и сказывается на работоспособности и долговечности двигателя. Кроме того, высокие температуры рабочего процесса способствуют образованию и росту содержания оксидов азота в отработавших газах (ОГ), которые, с учетом интегральной характеристики составляющих вредных компонентов, представляют наибольшую экологическую опасность.

Впрыскивание воды в камеру сгорания двигателя, воздействуя на максимальные температуры цикла, позволяет уменьшить концентрацию оксидов азота в ОГ и снизить тепловую нагрузку на систему охлаждения двигателя. Однако вопросы одновременного улучшения этих показателей при сохранении на прежнем уровне мощности и экономичности карбюраторного двигателя разработаны недостаточно. Необходимы: дальнейшее изучение физики процессов нагрева и испарения воды, происходящих в форсунке и цилиндре; создание моделей, учитывающих влияние теплообмена воды и внугрицилиндровых газов на их термодинамические параметры; исследование влияния и определение оптимальных значений момента и количества подачи воды на рабочий процесс для эксплуатационных режимов.

Эти работы, определяющие концепцию оптимального воздействия на температурный режим в цилиндре с целью комплексного снижения концентрации оксидов азота и тепловых потоков в систему охлаждения, актуальны и имеют важное практическое значение.

Цель работы. Улучшение эксплуатационных показателей карбюраторного двигателя путем оптимизации температурного режима рабочего цикла при впрыскивании воды в камеру сгорания.

Задачи исследований. В соответствии с поставленной целью решены следующие основные задачи:

- разработаны модель, алгоритм и методика расчета параметров рабочего процесса при впрыскивании воды в цилиндр;

- проведен расчетно-теоретический анализ влияния угла впрыскивания и количества впрыскивания воды на мгновенные и средние температуры цикла, а также оценено перераспределение теплового потока в систему охлаждения двигателя;

- проведен многофакторный эксперимент для изучения комплексного влияния угла впрыскивания воды и ее количества на средние температуры газов, образование оксидов азота, мощностаые и экономические показатели;

- разработаны модель, алгоритм и пакеты прикладных программ, позволяющие осуществлять расчет и выбор оптимальных параметров угла впрыскивания и количества воды;

- разработаны рекомендации и оценена экономическая эффективность научных разработок.

Методы исследований и достоверность результатов. Решение конкретных задач для достижения поставленной цели осуществлялось: обобщением предшествующих работ, теоретическим анализом параметров и количественных характеристик, математическим и физическим моделированием процессов, происходящих в двигателе и его системах, проведением экспериментальных стендовых исследований карбюраторного двигателя ГАЗ - 52 с использованием стандартных методов и методик, современных приборов с автоматической регистрацией процессов и применением ЭВМ. Обработка опытных данных и их графическое представление выполнялось в приложениях БТАПБИКА (версия 5) и ЕХ8ЕЬ-97. Работа выполнена в период 1996 ... 2000 гд\

• Достоверность научных положений, выводов, результатов исследований и рекомендаций подтверждается выбором физических моделей, базирующихся на фундаментальных положениях теории горения, законах термодинамики и тепло - массообмена, адекватностью теоретических положений, результатами экспериментальных исследований; внедрением разработок автора в учебный процесс и научно-исследовательскую работу.

Научную новизну работы составляют:

- математическая модель рабочего процесса карбюраторного двигателя при впрыскивании форсункой воды в камеру сгорания;

- методики расчета термодинамических параметров продуктов сгорания при впрыскивании водьг,

- математическая модель оптимизации параметров впрыскивания: угла и количества воды в камеру сгорания на различных эксплуатационных режимах;

- методика определения оптимальных, параметров впрыскивания воды.

Практическую значимость работы представляют:

- алгоритмы и пакеты прикладных программ, позволяющие осуществлять расчет термодинамических параметров рабочего процесса и выбор оптимальных параметров впрыскивания воды для одновременного снижения термической нагрузки и токсичности работы двигателя;

- рекомендации по оптимальным регулировкам впрыскивания воды с целью уменьшения уровня температур цилиндровых газов и снижению выбросов оксидов азота с ОГ двигателя.

Реализация результатов исследований. Основные результаты исследований, реализованные в виде рекомендаций по уменьшению: тепло-напряженности двигателя; теплоты передаваемой в систему охлаждения;

образования и выбросов оксидов азота с ОГ при сохранении неизменными мощностных и экономических показателей карбюраторных двигателей путем обоснования оптимальных пределов значений параметров подачи воды в камеру сгорания, приняты к внедрению в учебный процесс СПбГАУ, Тверской ГСХА и учебно-научного центра «ТверьАгро», а также в производственную работу ПРЭС ОАО ЛЕНЭНЕРГО.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и одобрены на научно-практических конференциях Тверской ГСХА (1996 - 1998 г.г.), на Межгосударственных научно-технических семинарах стран СНГ (СПбГАУ, 1996 - 1999 г.г.), на Международных научно-технических конференциях Санкт-Петербургского ГТУ (1998 - 2000 г.г.).

Публикации. Результаты исследований по теме диссертационной работы изложены в 8 работах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на страницах, в том числе /¿¡^страницах машинописного текста, 2-Я рисунках, .2 таблицах, страницах приложения и состоит из введения, семи разделов, заключения, списка литературы из 111 наименований и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, изложены научная новизна и практическая ценность работы, основные положения и результаты исследований, выносимые на защиту.

В первой главе сделан обзор достоинств и недостатков существующих способов подачи воды в двигатель и эффект от их применения на практике.

Проанализированы факторы вызывающие увеличение температур рабочего цикла, следствием которого при эксплуатации являются ухудшение рабочего процесса двигателя, преждевременный износ подвижных деталей и выход их из строя, снижение работоспособности и долговечности двигателя. Высокие температуры рабочего процесса способствуют образованию и росту содержания оксидов азота в ОГ, которые, особенно на максимальных нагрузочных режимах, достигают практически 100 %.

В качестве наиболее опасных, и поэтому подлежащих исследованию, определены режимы близкие к максимальным нагрузкам. Это обусловлено тем, что при эксплуатации в условиях городской езды, с учетом температурного уровня и индексов токсичности веществ, определяемых согласно ОСТ 37.001.054 - 86, по значимости, максимальные нагрузочные режимы составляют 88 %, холостой ход-10 %, принудительный холостой ход- 2 %.

Подробный анализ современных отечественных и зарубежных исследований применения различных методов и средств снижения теплонапря-

женности и концентрации оксидов азота в ОГ карбюраторных двигателей позволил сделать следующие выводы:

- непосредственное впрыскивание воды в цилиндр актуально, так как дает путь к решению задач снижения теплонапряженности, нагрузки на систему охлаждения двигателя и токсичности;

- диапазон экспериментальных исследований определен в зоне максимальных нагрузок и основывается на его корреляции с наиболее характерными условиями городской езды, по параметрам температур цикла и концентраций оксидов азота в ОГ;

- раскрытие физической природы влияния воды на рабочий процесс позволит разработать соответствующие математические модели, надежные расчетные методы и устройства, обеспечивающие эффективное уменьшение теплонапряженности, теплоты передаваемой в систему охлаждения, образования и выбросов оксидов азота с ОГ.

Основываясь на сделанных выводах, сформулированы цель и основные задачи настоящего исследования.

Во второй главе приведены результаты моделирования, алгоритм и методика расчета параметров рабочего цикла карбюраторного двигателя при подаче воды.

В отличие от ранее выполненных исследований предлагается математическая модель рабочего процесса карбюраторного двигателя, комплексно учитывающая воздействие впрыскиваемой воды на рабочий процесс. Она представлена тремя составляющими: конвективной - теплообмен между цилиндровыми газами и впрыснутой водой; термодинамической - изменение теплоемкости и внутренней энергии смеси цилиндровых газов и водяного пара; термохимической - химические реакции горения топливной смеси с участием воды в парообразном состоянии.

Конвективный теплообмен определяет время локального воздействия воды, которое обуславливается стойкостью метастабильной фазы к образованию флюктуационым путем устойчивого зародыша паровой фазы в условиях сильного перегрева капли воды, при попадании ее в цилиндр двигателя.

Для исследования соответствия внутрицилиндровых условий процессам возникновения метастабильного состояния и спонтанного вскипания воды определены: частота нуклеации (7) и температура спонтанного вскипания капель воды (Т*), а также время нагрева (11) и испарения капель воды (х2). Расчеты показали (рис. 1), что при резком снижении давления, происходящем при впрыскивании, спонтанное вскипание зависит от частоты нуклеации, определяемой температурой воды. Полученные значения температур спонтанного вскипания капель воды (Т*), с одной стороны, значительно меньше температур газов в цилиндре (Тг), а с другой - мало (АТ = 70-110 К) отличаются от температур капель (Тж), при давлениях, соответствующих моменту впрыскивания.

Г, К 950 850 750 650 550 450 350

0 1

3

Эти условия и влияние поверхностного натяжения у границы сред могут вызвать, для рассматриваемых значений темпера-.тур, кризис кипения воды уже в каналах распылителя форсунки, однако, вследствие высокого давления (12-18 МПа) и малого времени контакта с нагретой частью форсунки, этого не происходит. Капля превращается из перегретой воды в пар за счет спонтанного вскипания при вылете из форсунки в цилиндр после достижения температуры Т*.

Вероятность спонтанного образования зародышей паровой фазы, резко уменьшается с увеличением размеров капли, так как при отсутствии в воде искусственных центров парообразования зародыши могут возникать только за счет тепловых флуктуации. Так, для достижения спонтанного вскипания капель воды, предельный радиус капли должен быть не более г№ = 1,5-10 " 7 м, что обусловливает подачу воды в мелкодисперсном виде посредством форсунки.

Продолжительность существования капли воды зависит от времени прогрева капли до температуры Т*, при которой произойдет ее полное испарение или спонтанное вскипание. Время прогрева капли до критической температуры (Г)), определяется отношением теплоты необходимой для прогрева капли, к среднему значению мощности теплового потока (ЦД получаемого в единицу времени и отнесенного к поверхности капли (Рь):

4 5 Р,МПа

-Те, -о-Т», нэ-Тг, -о-Т\у

Рис. 1. Зависимость температуры спонтанного вскипания капли воды от давления в цилиндре

■т.

Т, =-

и..,

где: Сда и т« - теплоемкость и масса капли.

В процессе испарения капля, имея начальную температуру (Т*), отбирает от окружающих цилиндровых газов теплоту (От), равную теплоте парообразования. При соответствующих температуре (Тг^ и давлении испарение произойдет за время:

Т2 = Л/ , где - удельная теплота парообразования воды.

Проведенный расчет позволяет принять допущение о том, что капля воды радиусом до 1,5-10'7 м переходит из жидкой фазы в газообразную за время сравнимое с 6-10"5 с, т.е. практически мгновенно. За такое время угол поворота коленчатого вала (КВ) при п = 2000 мин^составляет <р -0,7...°.

Таким образом, в цилиндре карбюраторного двигателя создаются условия по давлению, температуре и размеру капли для возникновения мета-стабильного состояния воды и последующего спонтанного кипения капли на малом промежутке времени 10~4с. При этом за столь короткое время локального воздействия воды существенно меняются параметры рабочего процесса. Влияние оказывают, как фазовый переход так и водяной пар, смешивающийся в дальнейшем с продуктами сгорания и изменяющий его теплоемкость и внутреннюю энергию.

Термодинамический анализ раскрывает физический смысл воздействия фазового перехода воды, который определяется ростом теплоемкости смеси и приращением внутренней энергии (и*") продуктов сгорания за счет:

Ж"

и

—ж

дГ

г;

Г уу

гскпЛ

_ш

¿г,

г.

где первая часть связана с ростом паросодержания (<1«п) и характеризует интенсивность фазового перехода; вторая - с приращением теплоемкости в зависимости от температуры продуктов сгорания.

Таким образом, внутренняя энергия продуктов сгорания при впрыскивании воды составляет:

и* =(и1-и™Ус11 + с{\с1Тг

Развиваемый подход позволяет получить на основе первого закона термодинамики, уравнение теплового баланса смеси воздуха и продуктов сгорания топлива в цилиндре двигателя, выраженное через сумму тепло-емкостей компонентов смеси и изменения их температуры по углу поворота коленчатого вала:

Iсгвтв +П1мРС

с1ф

[^-(¿0+1 )-(иРС+и£)+10ив]

Фг ¿Яш , ¿Ь

+

Аф с1ф й(р ¿<р

Левая часть уравнения представляет собой изменение внутренней энергии смеси: воздуха, продуктов сгорания топлива, впрыснутой воды, в результате изменения их температуры. Первое слагаемое в правой части представляет собой интенсивность выделения теплоты в цилиндре за счет горения топлива (Qx) и увеличения внутренней энергии смеси в результате изменения ее состава (Q.), которая представлена как разность внутренних энергий продуктов сгорания (Upe), уточненной для условий подачи и фазового перехода воды, и свежего заряда (UB). Второе слагаемое (Qw) выражает количество теплоты, переданной охлаждающей жидкости через стенку цилиндра газами. Третье слагаемое (LT) - работа, совершаемая цилиндровыми газами в результате изменения их давления и объема. Четвертое слагаемое (Qr) учитывает количество теплоты отведенной от цилиндровых газов фазовым переходом.

Термохимический анализ продуктов сгорания топлива проводился по брутто реакциям процесса при выполнении условия химического равновесия действующих масс. В модели конечных равновесных состояний мгновенная температура при изменении давления и объема определялась для смеси реальных газов, подчиняющихся уравнению Ван-дер-Ваальса:

a-v-ct-b i Tr=(Pr-v9-Pr.b+—-ü--) ф,

V<P

где: a, b — константы, рассчитанные для компонентов продуктов сгорания в зависимости от их концентрации в топливо - воздушной смеси.

Для исследования модели разработаны алгоритм и методика расчета термодинамических параметров продуктов сгорания при различных условиях впрыскивания воды, представляющие собой программный продукт емкостью 3.8 Мб.

Результаты проведенного моделирования показали (табл.), что теплоотдача в стенки цилиндра при подаче воды в КС снижается на 10 -15 % по отношению к режиму без подачи воды. Теплота, передаваемая с ОГ, соответственно, возрастает, а полезная теплота остается практически без изменений. Впрыскивание воды также снижает расчетные значения мгновенных температур газов (на 150...220 К), хотя влияние момента подачи воды сказывается меньше (60-100 К).

Модель расчета мгновенных температур, с учетом реальных свойств газов, позволяет получить более высокую точность (на 2 - 5 %) по сравнению с типовой методикой. Данные (табл.) показывают, что модель расчета средних температур цикла адекватна экспериментальным исследованиям.

Таблица

Температуры и составляющие теплового баланса цилиндра двигателя при различных параметрах впрыскивании воды в камеру сгорания на режиме п=2000 мин1, Ме=120 Нм

Параметры Температура Составляющие теплового баланса.

впрыскивания воды. цилиндровых газов.

Од, <Р> тг Т <3г 0« и От

г/цикл О К к кВт кВт кВт кВт

0 1280 1237 6,43 5,24 5,49 0,0

10 до ВМГ 1120 1118 6,85 4,82 5,24 0,2

0,065 ВМТ 1150 1135 6,51 5,09 5,34 0,2

10 за ВМТ 1185 1167 6,76 5,18 5,46 0,2

10 до ВМТ 1080 1063 7,22 4,45 5,26 0,56

0,195 ВМТ 1110 1084 6,94 4,73 5,35 0,56

10 за ВМТ 1150 ИЗО 7,13 4,81 5,48 0,57

В третьей главе приведены методики экспериментальных исследований улучшения эксплуатационных показателей двигателя, дано описание экспериментальной установки, применяемой аппаратуры и погрешностей измерений.

Исследования проводились на тормозной установке КИ-554, созданной на базе серийного двигателе 64 8,2/11 (ГАЗ-52), оборудованного контрольно-измерительными и регистрирующими приборами согласно ГОСТ 14846-81. В основу методик положены действующие ГОСТы, ОСТы, и другие нормативные документы проведения испытаний карбюраторных двигателей.

Для выполнения поставленных задач программа исследований включала различные сочетания углов подачи и количества воды, скоростных и нагрузочных режимов работы двигателя, перекрывающие основные режимы работы двигателя в условиях эксплуатации и режиме городской езды по ОСТ 37.001.054-86. Подача топлива и воды осуществлялась раздельно, непосредственным впрыскиванием воды в цилиндры двигателя.

За основные оценочные показатели работы карбюраторного двигателя приняты: эффективные мощность и удельный расход топлива, теплота, переданная в СО, температуры внутрицилиндровых и выхлопных газов, содержание оксидов азота в ОГ, а также наличие воды в моторном масле.

Оптимальное сочетание значений угла, количества подачи воды на различных режимах работы двигателя определялось методами математической теории планирования эксперимента. При этом область варьирования факторов составляла: угол начала впрыскивания воды - 10 до ВМТ ... 10 после ВМТ; цикловая подача воды в цилиндры двигателя - 0,065 ... 0,195 г/цикл; частота вращения - 1600 ... 2400 мин"1 и крутящий момент-65 ... 175 Н/м.

Обработка экспериментальных данных проведена с использованием программ EXCEL-7 и STATISTIKA-5 на ПЭВМ.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований работы двигателя на водо-топливной смеси (ВТС).

Установлено, что на малых нагрузках и частотах вращения коленчатого вала при подаче воды до принудительного воспламенения смеси рабо-

/ чий процесс протекает анало-

гично подаче воды во впускной коллектор, то есть, наблюдаются неравномерность амплитуд индикаторных давлений и неустойчивая работа двигателя.

Наибольший эффект от подачи воды (увеличение давления на 0,15 МПа), достигается при подаче воды после прохождения начальной стадии сгорания и нарастания давления, то есть около ВМТ.

При впрыскивании воды в количестве g4 - 0,195 г/цикл (80% от топлива) после начала горения на диаграммах присутствуют участки, которые в зависимости от угла впрыскивания занимают 5...10 ...°и свидетельствуют о задержке процессов горения из-за испарения воды и перегрева пара. Наибольшее различие в протекании процесса, по результатам индикаторных диаграмм (рис.2), характерно для варианта при подаче воды в количестве g4 = 0,195 г/цикл и угле впрыскивания Ом = 10 до ВМТ. При этом максимальное давление цикла Pz снижается на 0,10...ОД8 МПа, а его пик сдвигается на 6 ... 8 по повороту коленчатого вала вследствие замедления нарастания давления. Кроме того, отмечен пологий спад давления на

3.0

2.0

1.0

0.0

la

\

1

У

-20 О —Без воды -*-ВМТ

20

40 60

— 10 до ВМТ ^о-10 после ВМТ

...f

80

Рис.2. Влияние угла подачи воды на среднее индикаторное давление.

линии расширения и смещение всего рабочего процесса вправо относительно ВМТ.

Анализ изменения температуры цилиндровых газов (рис. 3) показал, что при впрыскивании воды происходит значительное снижение температурного режима цикла: при я = 2000 мин"1 и Ме =120 Нм в обычном цикле Ттах составляет 2570 К; при максимальной подаче воды gн = 0,195 г / цикл и углах впрыскивания воды Qw = 10 до ВМТ - 2353 К; при - 0...° -2392 К; при 10 после ВМТ - 2410 К. Таким образом снижение максимальных температур на этом режиме составляет 217 К.

Кроме того, уменьшение уровня максимальных температур в конечном итоге приводит к снижению тепловых потоков в стенки цилиндра и СО, которые для подачи glf = 0,195 г/цикл и 6*,= 10 ...0 до ВМТ составляет 10 - 20 % по сравнению с циклом без подачи воды, что подтверждает расчеты при моделировании.

Понижение продолжительности и уровня высоких температур в цикле с подачей воды уменьшает время интенсивного образования оксидов азота (рис. 3, 4, 5) Ош» выраженного в градусах поворота коленчатого вала, и их концентрацию в ОГ. Так в штатном цикле (и = 2000 мин"1, Ме = 120 Н-м) Оно = 48 и N0 = 1715 ррт; при =0,195 г/цикл и £)„ =10 до ВМТ Око = 39...° и N0 = 731 ррт; при = 0,195 г/цикл и ВМТ 0ко= 43 и N0 - 380 ррт; при = 0,195 г/цикл и <2„ = 10 после ВМТ Оно = 42 и N0 = 308 ррт, то есть выбросы оксидов азота с ОГ уменьшились в 2 - 5 раз.

— Безводы -»-10 до ВМТ -*-ВМТ -о-10 после ВМТ

Рис. 3. Изменение температуры цикла при различных углах подачи воды ({»ц= 0,195 г/цикл)

Таким образом, впрыскивание воды в цилиндры приводит к снижению уровня максимальных температур, увеличению скорости охлаждения продуктов сгорания и создает условия для снижения выбросов оксидов азота с ОГ.

Анализ эксплуатационных показателей двигателя в исследованном диапазоне частот коленчатого вала (л = 1600 ... 2400 мин"1) указывает на незначительное, в пределах ГОСТа, изменение мощности. Так при подаче воды вблизи ВМТ и нагрузке М, > 100 Н-м наблюдается ее рост на 3%, а на малых частотах (и=1600 мин"1) и нагрузках (Ме < 85 Н-м) - падение мощности на 5%.

а)

б^

Тк-с> К

1600 1800 2000 2200 240020

1, мин

N0, ррю

1600 1800 2000 2200 2400 20

Ме, Нм п.»«"

. -1

Мс,Нм

Рис. 4. Изменение температур цилиндровых газов (а) и концентрации оксидов азота в ОГ (б) на эксплуатационных режимах

В результате исследований изменения удельных эффективных расходов топлива определено, что при подаче воды 10 до ВМТ двигатель имеет худшие показатели, а наилучшие - при впрыскивании воды вблизи ВМТ. При частоте вращения п = 1600 мин"1 все удельные расходы топлива диапазоне Ме > 85 Н-м при любом угле впрыскивания воды ниже или равны режиму без подачи воды. При этом разброс точек укладывается в дове-

рительный интервал 5 %, не выявляя преимуществ какого-либо угла подачи воды. В то же время на средних нагрузках (М, = 120 Н-м) наблюдается снижение удельных расходов (20 - 25 г/кВт-ч), что связано с оптимальным протеканием рабочего процесса, подтверждающее преимущества подачи воды на этих режимах.

Исследованиями установлено, что при нагрузках более 50 % и скоростных режимах от 1600 до 2400 мин"1 наблюдается снижение концентрации оксвдов азота в ОГ, что указывает на отсутствие жесткой связи в этом диапазоне режимов между концентрацией и температурами цикла (рис. 4). В то же время, подача воды в КС не уменьшает, а в некоторых случаях увеличивает образование оксидов азота.

Определенная в результате экспериментальных исследований многоплановость влияния изменения регулировок подачи воды на мощностью и экономические показатели двигателя; максимальные температуры рабочего процесса и тепловые потоки в стенки цилиндра и СО; содержание оксидов азота в ОГ, показала необходимость оценки комплексного влияния параметров впрыскивания воды на рабочий процесс двигателя.

В связи с этим был проведен 3-х факторный эксперимент, реализующий почти рототабельный план Бокса-Бенкина второго порядка, по результатам которого определены уравнения множественной регрессии, устанавливающие связь между значениями концентраций оксидов азота - У], температур внутрицилиндровых газов - У2, эффективной мощности - У3 с величинами: частоты вращения КВ (и) - Х1, установочного угла опережения впрыскивания воды (<2») - Х2, цикловой подачи воды (£ц) - Х3:

% = 214,0-31,1-174,9-Х2 -41,5-Х3 -31,0-ХГХ2 -ВД^ -68,8-Х2-Хъ +135,8^ +124,3-Х| +163,0-А'; Г2 =1163 + 11136 Х1 -2,87-Х2 -19,5-Хъ +5,75-Хх-Х2 +4,5-Х1-Хг + +4,5-Х2Х3 +12,87-X2 -1,12-Х22+4,13-Х2

Уг = 37,00 + 8,40 ■Х1-0,09-Х2 + 0,06 ■Х3+0,13-Х1-Х2-0,03 • Х1 • Хъ --0,20• Х2 -Х3 -0,68-Х!2 +0,45-X2 +0,Ю-Х2

Расчет значений температур и оксидов азота по уравнениям регрессий показал, что минимальные значения поверхностей отклика соответствует центрам поверхностей (рис. 5, 6), которые смещены, во всех случаях, относительно оптимальной регулировки параметров впрыскивания воды. При этом минимальные концентрация оксидов азота в ОГ составляют - 139 ррт и температура внутрицилиндровых газов - 819 К, однако такие режимы работы двигателя технически неосуществимы.

а)

43

б)

Рис.5.Зависимость изменения температур цилиндровых газов (Ткс): а) от количества впрыскиваемой в камеру сгорания воды (V/); б) от угла (С?\у) впрыскивания воды (п- частота вращения коленчатого вала)

б)

Рис.6. Зависимость изменения концентрации оксидов азота (N0) в ОГ: а) от количества впрыскиваемой в камеру сгорания воды б) от угла впрыскивания воды (п- частота вращения коленчатого вала)

Для выполнения требований ГОСТ 14846-81 была решена задача оптимизации параметров впрыскивания воды при минимально-возможной концентрации оксидов азота, минимальной температуре внугрицилиндро-вых газов и изменении эксплуатационной мощности в пределах 5 % (рис. 5, 6). Совместным изучением поверхностей отклика V¡, Y2> Y¡ представленных в канонической форме, методом двумерных сечений получено решение:

О < Х2 < 0,5 Í200 < NO < 300ррт 0,25<Х3 <0,5 И ill40<r„<1150í: '

которое в раскодированном виде представляет собой координаты точки оптимума равные: и= 1300 ... 2500 мин"1, Qw соответствует 0...5...0 после ВМТ, gH =0,162 г/цикл на режиме Mt = 170 Н-м.

Таким образом, полученные оптимальные значения параметров впрыскивания воды обеспечивают минимальное содержание оксидов азота в ОГ и оптимальные температуры рабочего процесса при значениях эффективной мощности и удельного расхода топлива в пределах ГОСТ 14846-81.

В пятой главе приведены рекомендации по использованию метода подачи воды в камеру сгорания для улучшения эксплуатационных показателей карбюраторного двигателя и расчет экономической эффективности предлагаемого метода.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В результате выполненных теоретических и экспериментальных исследований получена модель рабочего процесса карбюраторного двигателя с подачей воды в камеру сгорания, а также регрессионная модель, позволяющие анализировать влияние параметров впрыскивания воды на термодинамические показатели цикла и определить оптимальные значения параметров подачи воды для работы двигателя на основных эксплуатационных режимах.

2. Анализ существующих методов снижения теплонапряженности и вредных веществ ОГ двигателей показал, что, несмотря на их большое разнообразие, они имеют недостатки, осложняющие широкое применение в автотракторной технике. Метод впрыскивания воды позволяет снизить токсичность ОГ и температурный уровень цилиндровых газов, однако вопросы оптимального соотношения этих показателей для эксплуатационных режимов исследованы недостаточно.

3. На основе изучения физики метастабильного состояния воды, а также учета влияния теплообмена воды и цилиндровых газов на их термодинамические показатели, создана уточненная модель рабочего процесса карбюраторного двигателя, позволяющая оценить перераспределение статей внутрицилиндрового баланса. Установленное снижение теплоты, переданной газами в стенки цилиндра соответствует увеличению теплоты, от-

веденной с ОГ, что обеспечивает снижение нагрузки на систему охлаждения, эквивалентное увеличению максимально допустимых для эксплуатации температур окружающего воздуха с 35°С до 41 °С. Так максимальное изменение теплоты, отданной в стенки цилиндра, соответствующее режиму п = 2000 мин'1, Ме = 175 Н-м снижается от значения 5,24 кВт- без подачи воды до значения 4,45 кВт при подаче воды ( Qw = -10...° до ВМТ, g,t = 0,195 г/цикл), что составляет 15 %.

4. Максимальное изменение теплоты, отданной газами в стенки цилиндра, и средней за цикл температуры газов при различном сочетании параметров впрыскивания, составляет 7,4 % и 5,9 %, что указывает на меньшее влияние угла впрыскивания воды на эти показатели в исследованном диапазоне. Максимальное снижение выбросов оксидов азота достигается при подаче воды в количестве 30 - 40 % от подачи топлива и углах впрыскивания воды около ВМТ, выбросы оксидов азота составили 200 — 300 ррт.

5. Экспериментальными исследованиями показателей двигателя ГАЗ -52 подтверждена адекватность разработанных моделей термодинамических параметров рабочего процесса. Применение методики и алгоритмов определения температур рабочей смеси как реального газа, позволила повысить точность их расчета на различных эксплуатационных режимах работы двигателя по сравнению с типовой методикой на - 2...5 %.

6. Полученные в результате экспериментальных исследований данные о содержании оксидов азота в ОГ и средних температурах цикла, показали отсутствие между ними жесткой корреляции (г < 0,56), а также увеличение образования оксидов азота при подаче воды в КС при нагрузках более 50 % и скоростных режимах от 1600 до 2400 мин"1, что требует оптимального воздействия на температурный режим в цилиндре и образование оксидов азота.

7. Разработанная на основе многофакторного эксперимента регрессионная модель позволяет найти значения эффективной мощности, средних температур за цикл и оксидов азота при различных количествах и углах впрыскивания воды. Анализ моделей показал, что минимальные значения этих параметров достигаются при различных сочетаниях скоростного режима двигателя, количества впрыскиваемой воды и угла ее впрыскивания и составляют: для температуры Ткс 1ШЕ = 995 К, Qw = -10...° до ВМТ и g„ = 0,195 г/цикл; для оксидов азота Ж>шш= 220 ppm, Qw = ВМТ и g„ = 0,11 г/цикл.

8. Решением компромиссной задачи определены оптимальные параметры впрыскивания воды, составляющие g„ = 0,13 г/цикл, Qw = 0...°, снижающие теплонапряженность, тепловую нагрузку на систему охлаждения для скоростных - п = 1600 ... 2400 мин"1 и нагрузочных - Ме = 65 ... 175 Н-м режимов. При этом средняя температура за цикл снижается на 170

К и составляет Ткс = 1110 К, теплоотдача в стенки цилиндра на 9,7 %, а показатели токсичности по оксидам азота составляют максимум 350 ррт и удовлетворяют нормам токсичности ОГ при обеспечении мощностных и экономических показателей двигателя в пределах ГОСТ.

9. Разработанные рекомендации, алгоритмы, методики и пакеты прикладных программ обеспечивают возможность комплексной минимизации выбросов оксидов азота и температур цилиндровых газов при сохранении на уровне технических условий мощностных и топливно-экономических показателей двигателя.

10. Результаты исследований внедрены в учебный процесс и научную - исследовательскую работу. Экономическая эффективность предлагаемого метода оптимизации температурного режима рабочего цикла определена путем оценки ущерба, причиняемого годовыми выбросами оксидов азота в атмосферный воздух, оценки экономической эффективности средозащит-ных мероприятий от снижения вредных выбросов и снижения затрат на производство и эксплуатацию системы охлаждения.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1.Фролов C.B., Курмашев А.Г. Оптимизация режима скороморозильной установки по энергозатратам.//Тезисы докладов научно-технического семинара стран СНГ «Улучшение эксплуатационных показателей двигателей тракторов и автомобилей». СПбГАУ. - СПб., 1996, с.59-60.

2. Курмашев А.Г. и др. Температурно-динамические качества тракторов и автомобилей на переходных режимах.//Материалы научно-технической конференции «Фундаментальные исследования в технических университетах». СПГТУ. - СПб.,1998, с.182-183.

3. Фролов C.B., Курмашев А.Г. Влияние конструктивных параметров аэротракта аппарата кипящего слоя скороморозильной установки на ее по-казатели.//Сборник научных трудов СПбГАУ-«Улучшение эффективных, экологических и ресурсных показателей энергетических установок сельскохозяйственных тракторов и автомобилей». -СПб., 1997, с.129-132.,

4. Курмашев А.Г. Обоснование метода расчета системы охлаждения ДВС.//Тезисы 21-й научно-практической конференции «Актуальные про-блеммы аграрной науки в современных условиях». Тверская ГСХА. -Тверь, 1998, с. 254-255.

5. Курмашев А.Г. Расчет температурного перепада в автотракторном теплообменнике.//Тезисы докладов научно-технического семинара стран СНГ «Улучшение эксплуатационных показателей двигателей тракторов и автомобилей». - СПб., 1998, с. 106-107.

6. Курмашев А.Г. Оценка показателей работы карбюраторного двигателя и системы охлаждения при изменении теплонапряженности непосредственным впрыском воды в цилиндр.//Тезисы докладов международного

научно-технического семинара стран СНГ «Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей». - СПб., 1999, с.92-93.

7. Курмашев А.Г. Уменьшение тепловой нагрузки на систему охлаждения двигателя. // Тезисы 22-й научно-практической конференции «Научное обеспечение аграрного производства Верхневолжья». ТГСХА - Тверь. 1999, с. 163-164.

8. Салова Т.Ю., Курмашев ГА Изучение нетрадиционных схем впрыска в курсах «Теория ДВС» и «Эксплуатация сельскохозяйственной техники».// Труды научно-методической конференции «Экология, энергетика и природопользование». СПГТУ - СПб. 2000, с. 123-124.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. Состояние вопроса и задачи исследований.

1.1. Факторы, определяющие температурный режим цикла.

1.2. Оценка токсичности ОГ на эксплуатационных режимах работы двигателя.

1.3. Основные методы снижения температур внутрицилиндровых газов.

1.4. Снижение теплового состояния двигателя путем подачи воды в цилиндры.

1.5. Выводы. Постановка задачи исследования.

2. Исследование параметров рабочего цикла карбюраторного двигателя при подаче воды.

2.1. Конвективный теплообмен между цилиндровыми газами и впрыснутой водой.

2.2. Термодинамический анализ изменения состояния водотопливной смеси.

2.3. Термохимический анализ горения водотопливной смеси.

2.4. Алгоритм расчета параметров рабочего процесса.

2.5. Выводы.

3. Методика экспериментальных исследований и применяемое оборудование.

3.1. Общая методика исследований.

3.2. Методика исследований показателей рабочего цикла.

3.3 Методика исследований эксплуатационных показателей и теплоотдачи двигателя в охлаждающую воду.

3.4. Экспериментальная установка, применяемое оборудование и приборы.

3.5 Обработка результатов, погрешности измерений и планирование экспериментов.

3.6. Выводы.

4. Результаты экспериментальных исследований.

4.1. Результаты экспериментальных исследований рабочего процесса двигателя при подаче воды в камеру сгорания.

4.2. Влияние изменения угла впрыскивания воды на эксплуатационные показатели работы двигателя.

4.3. Влияние изменения цикловой подачи воды на эксплуатационные показатели работы двигателя.

4.4. Оптимизация регулировочных параметров аппаратуры впрыскивания воды по температуре внутрицилиндровых газов и составу отработавших газов.

4.5. Выводы.

5. Экономическая эффективность от применения впрыскивания воды в камеру сгорания.

5.1. Эффективность предотвращения ущерба от выброса оксидов азота с отработавшими газами двигателя.

5.2. Оценка экономической эффективности уменьшения тепловой нагрузки на систему охлаждения при подаче воды в цилиндры двигателя.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ в - геометрическая степень сжатия;

X - коэффициент теплопроводности стенки цилиндра, Вт/мК; Дс1№п - приращение паросодержания в течении процесса массового воздействия, кг/кг; Ур - массовые соотношения в реакциях; аг - коэффициент теплоотдачи от цилиндровых газов к стенке цилиндра. Вт/м2К; л ак - коэффициент теплоотдачи от цилиндровых газов к капле воды, Вт/м К;

Х\ - продолжительность прогрева (существования) капли, с;

Т2 - продолжительность кипения капли, с; аож- поверхностное натяжение;

Бь - наружный диаметр цилиндра, м;

В2, - внутренний диаметр цилиндра, м;

1в/с1ф - скорость поршня, м/с;

- поверхность капли, разделяющая воду и газы, м2; gц - цикловая подача воды, кг/цикл; gx, - количество выгоревшего топлива, г/цикл; gв - цикловая подача воздуха, кг/цикл;

Ов - часовой расход воздуха, кг/час; gcм - цикловая подача смеси топлива и воздуха, кг/цикл;

Ссм - часовой расход смеси топлива и воздуха, кг/час;

- цикловая подача топлива, кг/цикл; ж> удельные выбросы оксидов азота, ррш; От - часовой расход топлива, кг/час; Ь - мертвое пространство цилиндра, м; ^ -энтальпия пара воды, Дж/кг; 4

10Ж - частота нуклеации, 1/с;

23 к - постоянная Больцмана к= 1,38*10 Дж/К; кц- коэффициент теплопередачи через стенку цилиндра,

Вт/м К;

Lt - работа газов, Дж; mi - масса двойной частицы, кг; т2 - масса тройной частицы, кг;

Ме- крутящий момент на валу двигателя, Нм; тв - масса одного моля воздуха, кг/моль; тг - масса цилиндровых газов, кг; тк - масса капли, кг;

N - число частиц газовой смеси находящейся в цилиндре двигателя; п- частота вращения коленчатого вала, мин"1;

Ni - число молекул в 1 см3;

Ne - эффективная мощность, кВт;

Qno - продолжительность образования оксидов азота,

Qr - теплота отведенная от воды в процессе ее кипения, Дж;

Qw - количество тепла подведенного к капле воды от цилиндровых газов, Вт;

QBnp- угол впрыск воды в камеру сгорания,.;

Qt - теплота выделившееся в процессе сгорания топлива, Дж;

R - газовая постоянная вещества, Дж/кмоль К; гк - радиус пузырька пара, м;

S - ход поршня, м;

Tw - температура внутри капли, К;

Uw - среднее значение мощности теплового потока, отнесенное к поверхности капли, Вт; uwn - внутренняя энергия, пара находящегося в смеси, Дж/кг;

UB - внутренняя энергия продуктов сгорания при температуре Тва, Дж/кг; иРС - внутренняя энергия продуктов сгорания при температуре Тг, Дж/кг; 5

•з

V - объем описываемый поршнем, м ;

Ws - работа образования обратимым путем пузырька критического диаметра,

Дж;

Gj - число продуктов сгорания. в - относительное перемещение поршня, м/м;

Ps - давление жидкости на кривой кипения, МПа;

Р2-максимальное давление цикла, МПа;

Pw0 - температура воды в форсунке, К;

Ра - давление воздуха на всасывании в цилиндр, МПа; рг - давление внутрицилиндровых газов, МПа;

Ркр - давление вещества в критической точке, МПа; ст - средняя скорость поршня, м/с; cvpc - изохорная теплоемкость продуктов сгорания Дж/кг; cvw - изохорная теплоемкость воды, Дж/кг К; cvwn - изохорная теплоемкость пара воды, Дж/кг К;

ACVW -приращение теплоемкости прод. crop, в результате впрыска воды, кДж/кг св - теплоемкость воздуха, Дж/кгК; $

Т - температура спонтанного вскипания, °С;

Тг - температура выхлопных газов, К;

Ts - температура жидкости на кривой кипения, К;

Tw0 - температура воды в форсунке, К;

Тва - температура воздуха в начале сжатия, К;

Тг - температура внутрицилиндровых газов, К;

Ткр - температура вещества в критической точке, К;

Ткс - температура газов показываемая термопарой в камере сгорания, К;

Т0.с. ~ температура окружающей среды, К;

Т0.ж. - температура охлаждающей жидкости в системе охлаждения, К; х - доля выгоревшего топлива; 6 х\ - число молей составных частей продуктов сгорания; Xj - число молей основных продуктов сгорания;

КРИТЕРИИ Яе = VI / V - число Рейнольдса; Рг = ¡л ср/Я = у/а- числоПрандтля; Ии = а I / X - число Нуссельта.

ОСНОВНЫЕ ИНДЕКСЫ г - цилиндровые газы; рс - продукты сгорания; в - воздух; и> - вода; к - критическая точка; 1,2- вход, выход, соответственно; к - капля воды п - пар ж - жидкость хх - хлостой ход 7

ВВЕДЕНИЕ

Развитие двигателестроения на современном этапе связано с ростом удельной мощности двигателей. Это вызывает повышенную теплонапряжен-ность деталей, ухудшает рабочий процесс в цилиндре, увеличивает тепловую нагрузку на систему охлаждения и сказывается на работоспособности и долговечности двигателя. Кроме того, высокие температуры рабочего процесса способствуют образованию и росту содержания оксидов азота в отработавших газах (ОГ), которые, с учетом интегральной характеристики составляющих вредных компонентов, представляют наибольшую экологическую опасность.

Впрыскивание воды в камеру сгорания двигателя, воздействуя на максимальные температуры цикла, позволяет уменьшить концентрацию оксидов азота в ОГ и снизить тепловую нагрузку на систему охлаждения двигателя. Однако вопросы одновременного улучшения этих показателей при сохранении на прежнем уровне мощности и экономичности карбюраторного двигателя разработаны недостаточно. Необходимо дальнейшее изучение физики процессов нагрева и испарения воды, происходящих в форсунке и цилиндре; создание моделей, учитывающих влияние теплообмена воды и внутрицилин-дровых газов на их термодинамические параметры; исследование влияния и определение оптимальных значений момента и количества подачи воды на рабочий процесс для эксплуатационных режимов.

Эти работы, определяющие концепцию оптимального воздействия на температурный режим в цилиндре двигателя с целью комплексного снижения концентрации оксидов азота в ОГ и тепловых потоков в систему охлаждения, актуальны и имеют важное практическое значение. 8

В связи с этим целью данной работы является улучшение эксплуатационных показателей карбюраторного двигателя путем оптимизации температурного режима при впрыскивании воды в камеру сгорания.

Научную новизну работы составляют:

- математическая модель рабочего процесса карбюраторного двигателя при впрыскивании форсункой воды в камеру сгорания;

- методики расчета термодинамических параметров продуктов сгорания при впрыскивании воды;

- математическая модель оптимизации параметров впрыскивания: угла и количества воды в камеру сгорания на различных эксплуатационных режимах.

- методика определения оптимальных параметров впрыскивания воды.

Практическая значимость работы представляют:

- алгоритмы и пакеты прикладных программ, позволяющие осуществлять расчет термодинамических параметров рабочего процесса и выбор оптимальных параметров впрыскивания воды для сопряженного снижения термической нагрузки и токсичности двигателя;

- рекомендации по регулировке устройства впрыскивания воды для уменьшения уровня температур цилиндровых газов и снижению выбросов оксидов азота с ОГ двигателя .

- экономический анализ эффективности применения впрыскивания воды для снижения токсичности и теплонапряженности.

Работа выполнялась в 1996 - 1999 годах на кафедрах : «Тракторы, автомобили и теплоэнергетика» СПГАУ и «Тракторы и автомобили» Тверской ГСХА. 9

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В результате выполненных теоретических и экспериментальных исследований получена модель рабочего процесса карбюраторного двигателя с подачей воды в камеру сгорания, а также регрессионная модель, позволяющие анализировать влияние параметров впрыскивания воды на термодинамические показатели цикла и определить оптимальные значения параметров подачи воды для работы двигателя на основных эксплуатационных режимах.

2. Анализ существующих методов снижения теплонапряженности и вредных веществ ОГ двигателей показал, что, несмотря на их большое разнообразие, они имеют недостатки, осложняющие широкое применение в автотракторной технике. Метод впрыскивания воды позволяет снизить токсичность ОГ и температурный уровень цилиндровых газов, однако вопросы оптимального соотношения этих показателей для эксплуатационных режимов исследованы недостаточно.

3. На основе изучения физики метастабильного состояния воды, а также учета влияния теплообмена воды и цилиндровых газов на их термодинамические показатели, создана уточненная модель рабочего процесса карбюраторного двигателя, позволяющая оценить перераспределение статей внутрицилинд-рового баланса. Установленное снижение теплоты, переданной газами в стенки цилиндра соответствует увеличению теплоты, отведенной с ОГ, что обеспечивает снижение нагрузки на систему охлаждения, эквивалентное увеличению максимально допустимых для эксплуатации температур окружающего воздуха с 35°С до 41°С. Так максимальное изменение теплоты, отданной в стенки цилиндра, соответствующее режиму п = 2000 мин"1, Ме = 175 Н-м снижается от значения 5,24 кВт - без подачи воды до значения 4,45 кВт при подаче воды (С)\у = - 10 до ВМТ, §ц= 0,195 г/цикл ), что составляет 15 %.

121

4. Максимальное изменение теплоты, отданной газами в стенки цилиндра, и средней за цикл температуры газов при различном сочетании параметров впрыскивания, составляет 7,4 % и 5,9 %, что указывает на меньшее влияние угла впрыскивания воды на эти показатели в исследованном диапазоне. Максимальное снижение выбросов оксидов азота достигается при подаче воды в количестве 30 - 40 % от подачи топлива и углах впрыскивания воды около ВМТ, выбросы оксидов азота составили 200 - 300 ррш.

5. Экспериментальными исследованиями показателей двигателя ГАЗ - 52 подтверждена адекватность разработанных моделей термодинамических параметров рабочего процесса. Применение методики и алгоритмов определения температур рабочей смеси как реального газа, позволила повысить точность их расчета на различных эксплуатационных режимах работы двигателя по сравнению с типовой методикой на - 2.5 %.

6. Полученные в результате экспериментальных исследований данные о содержании оксидов азота в ОГ и средних температурах цикла, показали отсутствие между ними жесткой корреляции (г < 0,56), а также увеличение образования оксидов азота при подаче воды в КС при нагрузках более 50 % и скоростных режимах от 1600 до 2400 мин"1, что требует оптимального воздействия на температурный режим в цилиндре и образование оксидов азота.

7. Разработанная на основе многофакторного эксперимента регрессионная модель позволяет найти значения эффективной мощности, средних температур за цикл и оксидов азота при различных количествах и углах впрыскивания воды. Анализ моделей показал, что минимальные значения этих параметров достигаются при различных сочетаниях скоростного режима двигателя, количества впрыскиваемой воды и угла ее впрыскивания и составляют: для температуры Ткс мин = 995 К, С>№ = -10.° до ВМТ и gц = 0,195 г/цикл; для оксидов азота Ж)мин= 220 ррш, = ВМТ и & = 0,11 г/цикл.

122

8. Решением компромиссной задачи определены оптимальные параметры впрыскивания воды, составляющие gu = 0,13 г/цикл, Qw = 0.°, снижающие те-плонапряженность, тепловую нагрузку на систему охлаждения для скоростных - п = 1600 . 2400 мин"1 и нагрузочных - Ме = 65 . 175 Нм режимов. При этом средняя температура за цикл снижается на 170 К и составляет Ткс = 1110 К, теплоотдача в стенки цилиндра на 9,7 %, а показатели токсичности по оксидам азота составляют максимум 350 ррш и удовлетворяют нормам токсичности ОГ при обеспечении мощностных и экономических показателей двигателя в пределах ГОСТ.

9. Разработанные рекомендации, алгоритмы, методики и пакеты прикладных программ обеспечивают возможность комплексной минимизации выбросов оксидов азота и температур цилиндровых газов при сохранении на уровне технических условий мощностных и топливно-экономических показателей двигателя.

10. Результаты исследований внедрены в учебный процесс и научную -исследовательскую работу. Экономическая эффективность предлагаемого метода оптимизации температурного режима рабочего цикла определена путем оценки ущерба, причиняемого годовыми выбросами оксидов азота в атмосферный воздух, оценки экономической эффективности средозащитных мероприятий от снижения вредных выбросов и снижения затрат на производство и эксплуатацию системы охлаждения.

123

1. Адлер Ю.П. и др. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука. 1976. С. 280.

2. Батраков Ю.М. Исследование процессов в цилиндре двигателя по индикаторным диаграммам методом локальной оптимизации. Л.: Кораблестроительный институт. 1975.

3. Болгарский A.B. Влажный газ. М.: Госэнергиздат. 1951.

4. Болотов А.К., Лиханов В.А., Попов В.М., Сайкин A.M. //Двигателестроение. 1982. №7.

5. Бурячко В.Р. Математическое моделирование рабочих процессов поршневых двигателей. Л. 1976.

6. Бэр. Г.Д. Техническая термодинамика. М.: Мир. 1977.

7. Варгафтник Н.Б. Теплофизические свойства веществ. Справочник. М.: Гос-энергоиздат. 1963.

8. Вибе. И.И. Новое о рабочем цикле двигателей. Москва-Свердловск. 1962.

9. Волчок Л.Я. Методы измерений в двигателях внутреннего сгорания М.: Машгиз. 1955.11 .Впрыск воды в авиационные двигатели. М.: Аэрофлот. 1946.

10. Вукалович М. П. Теплофизические свойства воды и водяного пара. М.: Машиностроение. 1967.

11. Вукалович М.Н. Новиков И.И. Уравнение состояние реальных газов М.: Госэнергоиздат. 1948.124

12. Вукалович М.П., Новиков И.И. Термодинамика. М.: Машиностроение. 1972.

13. Гаврилов А.Ф., Горбатенков A.A., Туркестанова Е.Л. Влияние влаги, вводимой в горячий воздух, на содержание оксидов азота в продуктах сгорания газа и мазута //Теплоэнергетика. №9. 1983. С. 13 15.

14. Гардинер У. Химия горения М.: Мир. 1988. С. 461.

15. Гладышев A.B., Вагнер В.А., Матвиевский Д.Д. Экспериментальное исследование температурно-концентрационных полей в цилиндре дизеля //Двигателестроение. 1990. № 7. С. 3 6.

16. Глушко В.П. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания. М.: АН СССР. Т. 1. 1971. С. 266.

17. Горбатенков А.И. Снижение выбросов окислов азота с отработавшими газами тракторных дизелей путем организации рабочего процесса на водотоп-ливной смеси. Канд. дисс. СПБ-Пушкин. 1998.

18. ГОСТ 14846-81. Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний. М.: ГСИ.

19. ГОСТ 18509-80 Дизели тракторные и комбайновые. Методы стендовых испытаний. М.: ГСИ.

20. ГОСТ 8.207-76. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. М.: ГСИ. 1976.

21. ГОСТ П.004-74. Прикладная статистика. Правила определения оценок и доверительных границ для параметров нормального распределения. М.: ГСИ. 1974.

22. Греков Л.И., Москвин, Ю.В. Основные свойства некоторых газов при высоких температурах. Справочник. М.: Машиностроение. 1964.

23. Дьяченко Н.Х., Магидович, JI.E Пугачев. Б.П. Об аппроксимации характеристик тепловыделения в цилиндрах дизелей //Туды ЛПИ. Серия Энергомашиностроение. № 310. 1969.125

24. Ерохов В.И. Совершенствование систем смесеобразования и рабочих процессов ДВС с принудительным воспламенением. М. Автореф. 1997. С. 48.27.3ахребетков Ю.В. SU 1677356 AI F 02 В 47 / 02 15.09.91.

25. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение. 1981. С. 160.

26. Зельдович Я.Б., Полярный, А.И. Расчеты тепловых процессов при высокой температуре. М.: Изд.: Бюро новой техники. 1946.

27. Игнатович И.В., Кутенев В.Ф. К оценке токсичности режимов работы автомобиля //Автомобильная промышленность. № 12. 1978. С. 26.

28. Иноземцев Н.В. Курс тепловых двигателей. М.: Государственное издательство оборонной промышленности. 1952.

29. Иноземцев Н.В., Кошкин В.К. Процессы сгорания в двигателях. М.: Машгиз. 1949.

30. Исаев В.В. Сокращение выбросов оксидов азота в промышленной энергетике. М.: ЦНИИинформ. и техникоэконом. институт легкой промышленности. 1992. С. 98.

31. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел A.C. Теплопередача. М.: Энергия. 1969.

32. Испарение и рост капель в газообразной среде. М.: АН СССР. 1958.

33. Ищук Ю.Г. Интенсификация процесса сгорания топлива в судовых дизелях. JL: Судостроение. 1987.

34. Каганович Б.М., Филипов С.П., Анциферов Е.Г. Моделирование термодинамических процессов. Новосибирск.: Сиб. Отд. Наука. 1993. С. 100.

35. Кайдаш К.К., Папок К.К., Лобановский Е.В. Исследование впрыска воды на одноцилиндровом двигателе с цилиндром мотора АШ.

36. Кей Л., Лэби, Т., Справочник физика экспериментатора. М.: ИЛ. 1948.

37. Кормилицин В.И., Кудрявцев Н.Ю. Подавление оксидов азота в продуктах сгорания природного газа впрыском в зону горения и взрыва. Горение гетерогенных и газовых систем. 1989. С. 42 44.

38. Костин А.К. Характеристики двигателей внутреннего сгорания. ЛПИ. 1959.

39. Котляр И.В. Тепловая диаграмма для воздуха и продуктов сгорания. М.: Машгиз. 1951.

40. Курмашев А.Г. и др. Температурно-динамические качества тракторов и автомобилей на переходных режимах //Материалы научно-технической конференции «Фундаментальные исследования в технических университетах». СПГТУ. СПб.,1998, с.182-183.

41. Курмашев А.Г. Обоснование метода расчета системы охлаждения ДВС //Тезисы 21-й научно-практической конференции «Актуальные проблемы аграрной науки в современных условиях». Тверская ГСХА. Тверь, 1998, с. 254-255.127

42. Курмашев А.Г. Расчет температурного перепада в автотракторном теплообменнике //Тезисы докладов научно-технического семинара стран СНГ «Улучшение эксплуатационных показателей двигателей тракторов и автомобилей». СПб. 1998 С. 106 107.

43. Курмашев А.Г. Уменьшение тепловой нагрузки на систему охлаждения двигателя //Тезисы 22-й научно-практической конференции «Научное обеспечение аграрного производства Верхневолжья». Тверь.: ТГСХА. 1999. С. 163 164.

44. Курмашев Г.А. Исследование температурно-динамических качеств сельскохозяйственных тракторов и автомобилей. Кандидатская диссертация. СПб. 1979.

45. Кутателадзе С.С. Теплопередача при конденсации и кипении. М.: Машгиз. 1952.

46. Лазурко В.Л., Кудрявцев В.А. Программа обработки индикаторных диаграмм дизелей на алгоритмическом языке Фортран //Труды ЦНИДИ. Л. Вып. №68. 1975.

47. Лебедев О.Н. Методы улучшения смесеобразования в судовых четырехтактных дизелях. Новосибирск.: Наука. 1973.

48. Лебедев О.Н. Исследование движения фаз и фазовых превращений в однородном нестационарном двухфазном потоке //Тр. НИИВТ. Новосибирск. 1973.

49. Лерман Е.Ю., Гладков O.A. Высококонцентрированные водотопливные эмульсии эффективное средство улучшения экологических показателей легких быстроходных дизелей //Двигателестроение. 1986. № 10.

50. Линденбаум М.Б. Совершенствование методов оценки температурного состояния деталей двигателей внутреннего сгорания. Автореферат. Л. 1989.

51. Лиханов В.А, Сайкин A.M. Снижение токсичности автотракторных дизелей. М.: Колос. 1994. С. 224.

52. Лыков A.B. Тепло массообмен в процессах сушки. М.: Госэенргоиздат. 1956.

53. Лыков A.B. Теория сушки. М.: Энергия. 1978.

54. Лыков A.B. Тепломассобмен. Справочник. М.: Энергия. 1978.

55. Льюис Б.Г., Эльбе. Горение, пламя и взрывы в газах. М.: Мир. 1968.

56. Любимова И.А. Уравнение экстремально сжатых газов. М.: ИВТ. 1988.

57. Мамин Б.В. Исследование рабочего цикла дизеля с пленочным смесеобразованием при помощи анализа индикаторных диаграмм на ЭЦВМ. Автореф. Челябинск. 1971.

58. Махов В.В. Кульчицкий А.Р. Особенности процесса образования окиси азота при диффузионном сгорании //Эффективность ДВС. М. 1981. С. 97 101.

59. Мельников C.B., Алешкин В.Р., Рощин П.М. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов. Л. 1980. С. 168.

60. Метастабильное состояние воды и жидких фреонов. Автореферат канд дисс. Свердловск. 1970.

61. Методика определения экономической эффективности использования в сельском хозяйстве результатов научно-исследовательских и опытно129конструкторских работ, новой техники, изобретений и рационализаторских предложений. М.: Россельхозиздат. 1984. С. 104.

62. Мигай В.К., Назаренко B.C. и др. Регенеративные вращающиеся воздухоподогреватели. Л.: Энергия. 1971.

63. Микадзе Г. Исследование влияния турбонаддува на теплонапряженность деталей тракторного дизеля с воздушным охлаждением. М. 1969.

64. Михайловский Г.А. К вопросу сжатия воздуха с охлаждением путем впрыска воды //Известия ВТИ. М. № 5. 1952.

65. Михайловский. Г.А. Термодинамические процессы парогазовых смесей. М.: Машгиз. 1962.

66. Мишин О.Н., Тюльпанов P.C. Влияние паров воды на образование окислов воды в диффузионном турбулентном пламени пропана //Физика горения. Симпозиум по горению и взрыву. Химическая физика процессов сгорания и взрыва. Черноголовка. 1989. С. 44 46.

67. Мурзаков. В.В. Основы технической термодинамики. М.: Энергия. 1973.

68. Невский A.C. Конвективный и лучистый теплообмен. М.: Изд. АН СССР. 1960.

69. Неудахин В.И. Исследование образования оксида азота в ДВС при сжигании во до-бензиновых эмульсий. МФТИ. 1978. С. 6 24.

70. Николаенко A.B., Салова Т.Ю. Моделирование и расчет образования оксидов азота в камере сгорания дизеля //Тезисы докл. межд. науч.-технич. конф. «Двигатель 97». М.: ИБТУ. 1997. С. 34 - 35.

71. Николаенко A.B., Салова Т.Ю. Некоторые особенности кинетики образования оксидов азота в камере сгорания дизеля //Тезисы межд. науч.-технич. конф. «Совершенствование мощностных и экономических показателей ДВС». Владимир. 1997. С. 135 138.

72. ОСТ 37.001.054-86.Автомобили и двигатели. Выбросы вредных веществ. Нормы и методы определения

73. Пажи Д.Г., Корягин A.A., Ламм Э.Л. Распыливающие устройства в химической промышленности. М.: Химия. 1975.

74. Панов Ю.А. Улучшение экологических показателей карбюраторного двигателя путем организации рабочего процесса с подачей воды в цилиндры. Канд. дисс. СПБ. 1999.

75. Петриченко P.M. Рабочие процессы поршневых двигателей. Л.: Машиностроение. 1972.

76. Петриченко P.M. Физические основы внутрицилиндровых процессов в двигателях внутреннего сгорания. Л.: Изд. Ленинградского университета. 1983. С.243.131

77. Петухов Б.С., Ковалев С.А. Теплофизика высоких температур. Т. 5. № 1. 1967.91 .Попович И.В. Методика экономических исследований в сельском хозяйстве. М.: Экономика. 1982. С. 217.

78. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Гос-энергоиздат. 1953.

79. Ривкин С.Л., Александров А.А. Термодинамические свойства воды и водяного пара. М.: Энергия. 1975.

80. Ривкин С.Л. Термодинамические свойства воздуха и продуктов сгорания топлива. М.: Госэнегроиздат. 1955.

81. Розен A.M. Приближенное уравнение состояния для газов при высоком давлении //Журнал физической химии. М. 1946.

82. Романков П.Г. Рашковская Н.Б. Сушка в кипящем слое. М.: Химия. 1964.

83. Росляков П.В., Тимофеева С.А. Образование быстрых оксидов азота в пламенах углеводородных топлив //Материалы IX Всесоюзного симпозиума по горению и взрыву. Химическая физика.

84. Рябинин Ю.Н. Газы при больших плотностях и высоких температурах. М.: Физматгиз. 1959.

85. Салова Т.Ю. Улучшение эксплуатационных показателей дизельных энергоустановок путем совершенствования смесеобразования и нейтрализации отработавших газов. Докторская диссертация. СПб. 1999.

86. ЮО.Салова Т.Ю., Курмашев А.Г. Изучение нетрадиционных схем впрыска в курсах «Теория ДВС» и «Эксплуатация сельскохозяйственной техники».// Труды научно-методической конференции «Экология, энергетика и природопользование». СПб.: СПГТУ. 2000. С. 123 124.

87. Свойства газов при высоких температурах. Физика, газодинамика, термодинамика и физика горения //Сборник статей. М.: Наука. 1967.132

88. Стефановский Б.С. Теплонапряженность деталей быстроходных поршневых двигателей. М.: Машиностроение. 1978. С. 128.

89. ЮЗ.Стефановский Б.С., Новенников A.JL, Пикус В.И. Теплобалансовые характеристики быстроходного автотракторного дизеля //В кн. "Двигатели внутреннего сгорания". Ярославль: ЯПИ. 1975. С. 16 21.

90. Стефановский Б.С., Скобцов Е.А., Кореи Е.К. и др Испытания двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение. 1972.

91. Тандура И.П. Исследование влияния впрыска воды на работу автотракторного двигателя при применении низкооктанового бензина. Автореф. канд. дис. Омский сельскохозяйственный институт. 1956.

92. Юб.Таубман Е.И., Калишевич Ю.И. К вопросу планирования теплотехнических экспериментов //Инженерный физический журнал. М. 1973. Т. 25. № 2. С. 345 348.

93. Теплофизические свойства технически важных газов. Справочник. М.: Энегроиздат.

94. Тер-Мкртчьан Г.Г. и др. Изменение параметров процессов сгорания, теплового состояния деталей и токсичности отработавших газов дизеля 8ЧН 14/14 при снижении номинальной частоты вращения коленчатого вала //Сборник научных трудов НАМИ. М. 1985. С. 37.

95. Толстов В.П. Исследование снижения теплонапряженности и улучшения индикаторных показателей автотракторных дизелей. Автореферат Политехнический институт. JI. 1976.

96. Ш.Хриповский З.А., Хриповский В.З. Патент F 02 В 47/02. SU N 802585 07.02.81.

97. Шереметьев JI. Термодинамические основы испарения воды на всасывании авиадвигателей. М.: Обронгиз. 46.

98. Пб.Ценев В.А. Экономичность дизеля при работе с внутренним охлаждением. Двигатели внутреннего сгорания.Сборник работ. М :Машиносторение. 1965.

99. Бурков В.В. Алюминевые теплообменники сельскохозяйственных трактаров и транспартных машин. Л.: Машиностоение. 1985. С. 240.

100. Bastenov D. Патент SU 869567 F 02 В 47 / 02 30.09.81.

101. Mc-Pherson D.H. King P.J. Engine cooling and automobile styling. "SAE Preprints", 1959, N77 x, p.2-16.

102. Person F.W. Truck cooling System reguirments."SAE Preprints", 1958, N 99A.

103. Beatenbough P.K. Engine cooling Systems for Motor Trucks. "SAE Spec. Pubis" N284.1996, p. 27.

104. Tenkel F.G. Computes simulation of automotive cooling systems. SAE Preprints", s.a. N740087, 1974.