ОЦЕНКА ВЫБРОСОВ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ С ОТРАБОТАВШИМИ ГАЗАМИ ДИЗЕЛЕЙ НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ВЕСТНИК АКАДЕМИИ ВОЕННЫХ НАУК

3(24)/2008 (спецвыпуск)

A.B. КОПЕИН,

(Главное автобронетанковое управление МО РФ (г. Москва);

А.А. МАЛОЗЕМОВ,

к.т.н., доцент (НП «Сертификационный центр

автотракторной техники» г. Челябинск)

ОЦЕНКА ВЫБРОСОВ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ С ОТРАБОТАВШИМИ ГАЗАМИ ДИЗЕЛЕЙ НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

В соответствии с законодательством Российской Федерации и «Номенклатурой продукции, в отношении которой законодательными актами РФ предусмотрена обязательная сертификация» (введена Постановлением Госстандарта России от 30.07.2002 № 64), дизели различных типов и назначения подлежат обязательной сертификации на соответствие требованиям государственных стандартов. Тракторные дизели должны отвечать требованиям ГОСТ 17.2.2.02-98 п.5.1 (дымность на установившемся режиме), п.5.2 (дымность на режиме свободного ускорения), ГОСТ 17.2.2.05-97 п.5.1 (удельные выбросы оксидов азота, углеводородов, оксида углерода II с отработавшими газами), ГОСТ Р 41.96-99 (Правила ЕЭК ООН №96) п.5.2.1 (удельные выбросы оксидов азота, углеводородов, оксида углерода II, твердых частиц с отработавшими газами). Кроме того, при сертификационных испытаниях определяются параметры назначения дизелей (номинальные мощность, частота вращения и удельный расход топлива), которые должны соответствовать Техническим условиям.

Расчетная оценка сертифицируемых параметров на стадии проектирования не заменяет испытания, она позволяет определить потенциально «сильные» и «слабые» стороны дизелей, на которые необходимо обратить особое внимание в ходе их конструктивной доводки, а также дать теоретическое обоснование возможных мероприятий по доводке. В результате могут быть существенно снижены затраты времени и материальных средств на разработку и конструктивную доводку двигателей.

В настоящей работе на примере перспективных двигателей 4Т371 и 6Т370, создаваемых ГСКБД ООО «ЧТЗ-Уралтрак» и предназначенных для промышленных тракторов класса 10, 15, показана методика оценки выбросов вредных веществ с отработавшими газами дизелей на стадии проектирования.

Основой математической модели является система дифференциальных уравнений энергетического и массового баланса рабочего тела в камере сгорания. Скорость выгорания топлива определяется по методике Hiroyasu [1] или Вибе [2] (в зависимости от задачи расчета). Элементарное количество теплоты, подведенное к рабочему телу (или отведенное от него) в процессе теплообмена со стенками цилиндра, находится из уравнения теплоотдачи с использованием зависимости Вошни [3]. Подробное описание математической модели и расчетных программ приведено в [4, 5, 6].

Для расчета выбросов оксида азота с отработавшими газами использовалась методика Зельдовича [7], основанная на уравнениях химической кинетики:

ОЦЕНКА ВЫБРОСОВ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ С ОТРАБОТАВШИМИ ГАЗАМИ ДИЗЕЛЕЙ НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Для расчета выбросов оксида углерода II с отработавшими газами использовалась методика, основанная на уравнении химической кинетики:

СО + ОН = СО2 + Н (5)

Константа скорости реакции (5) определялись из уравнения Аррениуса:

ОЦЕНКА ВЫБРОСОВ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ С ОТРАБОТАВШИМИ ГАЗАМИ ДИЗЕЛЕЙ НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Расчет содержания углеводородов в отработавших газах не проводился в связи с невозможностью использования механизма детальной химической кинетики в рамках примененной математической модели. Идентификация математических моделей была выполнена по результатам испытаний дизелей 4ЧН15/20.5 ООО «ЧТЗ-Уралтрак» [6].

Расчет дымности отработавших газов на установившихся режимах проводился по методике ЕРА [9] для режима максимального крутящего момента с имитацией работы дымомера с эффективной базой 0,43 м и температурой газов в пробоотборнике 100°С на основе результатов расчета выбросов сажевых частиц.

Расчет дымности отработавших газов на неустановившихся режимах проводился по той же методике для скоростного режима и расхода воздуха, соответствующих минимально устойчивой частоте вращения коленчатого вала двигателя и цикловой подаче топлива, соответствующей номинальному режиму работы двигателя.

При проведении расчета имитировались методики проведения испытаний по оценке содержания токсичных веществ в отработавших газах по ГОСТ 17.2.2.05-97, токсичных веществ и твердых частиц - по ГОСТ Р 41.96-2005, дымности по ГОСТ 17.2.2.02-98. Обработка результатов расчета проводилась по методикам соответствующих стандартов для нормальных атмосферных условий. Расчетная схема для всех двигателей представлена одним цилиндром.

Граничные условия для основных режимов работы дизелей (холостой ход, номинальная нагрузка, максимальный крутящий момент) определялись исходя из экспериментальных данных. Граничные условия на промежуточных режимах нагружения определялись методом линейной интерполяции. Математическая модель настраивалась для режима номинальной нагрузки, исходя из условия обеспечения заданного удельного расхода топлива. Для остальных режимов работы дизеля методом оптимизационного расчета определялась, необходимая для обеспечения заданной эффективной мощности, цикловая подача топлива, при этом остальные параметры настроенной модели оставались без изменения. Давление механических потерь определялось статистической обработкой экспериментальных данных и аппроксимированных моделью Chen-Flynn:

ОЦЕНКА ВЫБРОСОВ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ С ОТРАБОТАВШИМИ ГАЗАМИ ДИЗЕЛЕЙ НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Закон подачи топлива подбирался исходя из условия обеспечения максимального давления впрыска ~ 120 МПа. Угол начала впрыска топлива выбирался исходя из необходимости обеспечения угла начала воспламенения топлива -10°ПКВ до ВМТ и составил для дизелей 4Т371.03.03 и 6Т370.02.02 - 21°ПКВ до ВМТ, для дизеля 6Т370.01.01 -26°ПКВ до ВМТ. График подъема клапанов аппроксимирован трапецией.

В таблице 1 приведены обработанные (интегральные) результаты расчета удельных выбросов вредных веществ с отработавшими газами и дымности, а также требования нормативных документов.

Вследствие относительно низких максимальных температур и давлений рабочего цикла (рисунок 1), могут быть обеспечены значения удельных выбросов оксида азота NOx укладывающиеся в рамки требований действующих ГОСТ 17.2.2.05 и ГОСТР 41.96-2005.

Максимальное давление впрыска топлива 120 МПа обеспечивает хорошее качество смесеобразования и, как следствие, низкие значения выбросов оксида углерода II, соответствующие требованиям нормативных документов (рисунок 2).

ОЦЕНКА ВЫБРОСОВ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ С ОТРАБОТАВШИМИ ГАЗАМИ ДИЗЕЛЕЙ НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ОЦЕНКА ВЫБРОСОВ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ С ОТРАБОТАВШИМИ ГАЗАМИ ДИЗЕЛЕЙ НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОЦЕНКА ВЫБРОСОВ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ С ОТРАБОТАВШИМИ ГАЗАМИ ДИЗЕЛЕЙ НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Расчетные значения удельных выбросов вредных частиц для дизеля 4ТЗ 71.03.03 превышают требования ГОСТ Р41.96-2005. Причиной является выбор высокого коэффициента запаса крутящего момента - 40 % и, как следствие, необходимость высокой цикловой подачи дизельного топлива на режиме максимального крутящего момента, недостаточно качественное смесеобразование, неполное догорание сажевых частиц (рисунок 3).

ОЦЕНКА ВЫБРОСОВ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ С ОТРАБОТАВШИМИ ГАЗАМИ ДИЗЕЛЕЙ НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОЦЕНКА ВЫБРОСОВ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ С ОТРАБОТАВШИМИ ГАЗАМИ ДИЗЕЛЕЙ НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Для двигателя 6Т370.02.02 имеют место эти же особенности смесеобразования, но выраженные в существенно меньшей степени (коэффициент запаса крутящего момента - 25%). Это косвенно подтверждается тем, что для дефорсированной модификации 6Т370.01.01 удельные выбросы вредных частиц укладываются в требования стандарта.

Максимальное значение дымности отработавших газов дизелей достигается на режимах максимального крутящего момента (6Т370.02.02 и 4Т371.03.03) и максимальной мощности (6Т370.01.01) и не превышает требований ГОСТ 17.2.2.02. Дымность отработавших газов всех дизелей на режиме свободного ускорения (при мгновенном увеличении цикловой подачи топлива на режиме холостого хода до номинального значения), при отсутствии ограничителя дымности, может превысить требования ГОСТ 17.2.2.02 из-за неполного догорания сажевых частиц (рисунок 4).

Расход топлива не является сертифицируемым параметром. Номинальные значения мощности, частоты вращения, максимальный крутящий момент (и соответствующая частота вращения), минимальная и максимальная частота вращения холостого хода определяются в ходе идентификации дизелей. Результаты расчета имеют хорошую сходимость с экспериментальными данными (рисунок 5) и подтверждают, что двигатели способны обеспечить заданные в Технических условиях мощностные и экономические показатели.

ОЦЕНКА ВЫБРОСОВ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ С ОТРАБОТАВШИМИ ГАЗАМИ ДИЗЕЛЕЙ НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Результаты расчета имеют оценочный характер и не могут являться основой для однозначных выводов о соответствии или несоответствии дизелей 4Т371 и 6Т370 требованиям, предъявляемым при обязательной сертификации.

Двигатели 4Т371 и 6Т370 способны обеспечить параметры выбросов вредных веществ, дымности, мощностных и экономических показателей соответствующие требованиям, предъявляемым при обязательной сертификации и заявленным в Технических условиях. При этом, при конструктивной доводке, необходимо обратить особое внимание на снижение выбросов сажевых частиц, например, путем применения ограничителя дымности, снижением коэффициента запаса крутящего момента дизеля 4Т370 с 40 % до 25 % (нормативное значение по ГОСТ 20000), использованием сажевого фильтра или дожигателя сажи.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Heywood J.B. Internal combustion engine fundamentals. -USA: McGraw-Hill Inc., 1988. - 930 p.

2. Вибе И.И. Новое о рабочем цикле двигателей. - М.: Машгиз, 1962, 271 с.

3. Розенблит Г.Б. Теплопередача в дизелях. -М.: Машиностроение, 1977. - 216 с.

4. Малоземов А.А. Программа для расчета рабочего цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания методом энергетического и массового баланса рабочего тела «MAEngine». // Свидетельство об отраслевой регистрации разработки №7131 от 13.11.2006.

5. Малоземов А.А. Математическая модель двигателя на основе системы дифференциальных уравнений энергетического и массового балансов / А.А. Малоземов // Повышение эффективности силовых установок колесных и гусеничных машин: Науч. вест. - Вып. 18. - Челябинск: ЧВВАКИУ, 2006. - 8-15.

6. Малоземов А.А. Математическое моделирование химической кинетики образования токсичных веществ в дизеле балансов / А.А. Малоземов // Повышение эффективности силовых установок колесных и гусеничных машин: Науч. вест. - Вып. 18. - Челябинск: ЧВВАКИУ, 2006. - 3-8.

Зельдович Я.Б., Садовников П.Я., Франк Каменецкий Д.А. Окисление азота при горении. -М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1947. -147с.

8. Hiroyasu H., KadotaT., Arai M. Development and use of a spray combustion modeling to predict diesel engine efficiency and pollutant emissions. Bulletin of the JSME, Vol.26, No.214, April, 1983.

9. Memorandum. Department of Environmental Conservation Division of Air and Water Quality - Air Permits Program// Bill MacClarence, P.E., Supervisor. Correlation between particulate mass and visible emissions from the combustion of diesel fuel.


Для комментирования необходимо зарегистрироваться на сайте

  • <a href="http://www.instaforex.com/ru/?x=NKX" data-mce-href="http://www.instaforex.com/ru/?x=NKX">InstaForex</a>
  • share4you сервис для новичков и профессионалов
  • Animation
  • На развитие сайта

    нам необходимо оплачивать отдельные сервера для хранения такого объема информации