«СПОСОБЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА СНИЖЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ МОБИЛЬНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ПРИ РАБОТЕ В ПОМЕЩЕНИЯХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ ...»

Поэтому эти двигатели в первую очередь должны отвечать постоянно ужесточающимся требованиям по снижению токсичности ОГ. Проблеме экологически безопасной работы двигателей внутреннего сгорания посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных исследователей.

Большой вклад в улучшение экологической безопасности внесли В.А. Звонов, В.А. Стрельников, Т.Ю. Салова С.Н. Девянин, И.Е. Либеров, Е.В. Лунин.

Анализ проведенных исследований показал, что в настоящее время отсутствует универсальный метод снижения токсичных выбросов и дымности ОГ дизелей.

Поэтому работа по созданию экологически безопасных условий в сельскохозяйственных помещениях ограниченного объема является актуальной.

На основе проведенного анализа сформулированы цель и задачи исследований.

Рисунок 1.10 – Схема направления совершенствования снижения токсичности ОГ ДВС Для решения указанной проблемы мы предлагаем комбинированный метод, включающий модернизацию топливной аппаратуры и создание устройств удаления отработавших газов из помещения.

Целью настоящей диссертационной работы является улучшение условий жизнедеятельности (человека, животных, растений) в помещениях сельскохозяйственного назначения с функционирующими в них мобильными энергетическими средствами с дизельными двигателями внутреннего сгорания снижением токсичности отработавших газов, совершенствованием системы питания, а также путем отвода отработавших газов из помещений.

Для достижения указанной цели поставлены задачи исследования:

1. Разработать и обосновать конструктивно-технологические схемы жидкостного нейтрализатора, электрического сажевого фильтра, системы обогащения воздушного заряда присадкой сжиженного газа или его предварительного пароозонирования, системы отвода отработавших газов из помещений сельскохозяйственного назначения.

2. Разработать и обосновать математические модели совершенствования процесса работы дизельного ДВС за счет обогащения воздушного заряда присадкой сжиженного газа или его предварительного пароозонирования.

3. Разработать и обосновать математические модели процесса нейтрализации отработавших газов электрическим сажевым фильтром (ЭФ) и жидкостным нейтрализатором (ЖН).

4. Разработать и обосновать математическую модель процесса отвода отработавших газов из помещений сельскохозяйственного назначения.

5. Провести проверку разработанных и предложенных способов в производственных условиях и дать оценку технико-экономической эффективности использования предложенных усовершенствованных устройств по обеспечению экологической безопасности при работе МЭС с ДВС в помещениях сельскохозяйственного назначения.

ГЛАВА 2. Исследование процесса обогащения воздушного заряда сжиженным газом с целью снижения токсичности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания 2.1. Определение состояния микроклимата в помещениях теплиц при проведении энергоемких сельскохозяйственных операций В ходе проведения энергоемких сельскохозяйственных операций необходимо знать динамику изменения состояния атмосферы теплиц, для обеспечения необходимого микроклимата и поддержания состояния воздушной среды согласно санитарным требованиям.

В соответствии с поставленной задачей программа исследований предусматривает:

- определение параметров микроклимата помещений теплиц при выполнении энергоемких операций;

- определение степени загрязнения воздушной среды теплиц по окончании работ.

Производственная проверка осуществлялась на базе ОАО «Тепличный комбинат» Рязанского района в типовых двухскатных теплицах площадью 1 га со средней высотой 3 м. Для поддержания санитарного состояния воздуха теплицы применяется естественная вентиляция, которая осуществляется посредством фрамуг, расположенных на кровле у конька теплицы. На 1 га всего имеется 44 фрамуги площадью около 3200 м. Привод фрамуг системы вентиляции осуществляется четырьмя мотор-редукторами.

На вентиляцию теплицы и на связанное с ней движение воздуха влияют различные факторы. Наиболее сильное влияние на эффект тяги оказывают высота теплицы, разница температур, а также давлений внутри и вне теплицы.

В ОАО «Тепличный комбинат» теплицы ориентированы по коньку крыши с севера на юг. В зависимости от направления ветра фрамуги для осуществления вентиляции открывают только с одной стороны конька - правой или левой. По технологическим причинам в зимний период теплицы не проветриваются.

В ходе исследований решались основные задачи по определению реального воздухообмена в теплице путем ее естественной вентиляции. Была разработана методика определения динамики состояния атмосферы теплицы по ее загрязнению токсичным выхлопом.

В ходе исследований по определению состояния атмосферы теплицы определялись следующие параметры: температура воздуха, относительная влажность, атмосферное давление, скорость движения воздуха, содержание в воздушной среде токсичных компонентов (оксидов азота, сероводорода, аммиака, оксида углерода, суммы углеводородов, сажи).

Состояние атмосферы теплицы определялось перед началом работы, непосредственно при работе, через 0,5 часа после работы.

Атмосферное давление измерялось барометром БАММ-1, относительная влажность воздуха - психрометром МВ-4М, температура воздуха - термометром ТТ, скорость движения воздуха - анемометром МС-13. Данные измерений приведены в приложении А.

Замеры проводились в воздухе рабочей зоны теплицы согласно ГОСТ 12.1.005-88 «ССБТ. Общие санитарные гигиенические требования к воздуху рабочей зоны» [17] на высоте одного метра от уровня грунта. Пробы воздуха отбирались двумя аспираторами одновременно и по каждому параметру. Отбор проб воздуха производился в пяти точках теплицы на одинаковом расстоянии друг от друга по ее длине. Состояние атмосферы теплицы анализировалось на содержание аммиака, оксидов азота и сероводорода при помощи фотометрического метода [68].

Суть данного метода заключается в следующем. Для определения концентрации заданного вещества с соответствующей скоростью протягивают через два поглотительных прибора с фильтром (пластиной), содержащим поглотительный раствор. По окончании отбора проб каждый поглотительный прибор анализируют отдельно. Раствор из поглотительного прибора переносят в мерную емкость и добавляют в него соответствующий реактив, а затем у полученного раствора измеряют оптическую плотность по сравнению с контрольным раствором. Содержание вещества в анализируемом объеме определялось по предварительно построенному калибровочному графику, полученному при помощи шкалы стандартов. Содержание формальдегидов в воздухе рабочей зоны теплицы определялось при помощи колориметрического метода [68]. Суть данного метода заключается в том, что для определения концентрации формальдегида в воздухе его со скоростью 20 л/ч протягивают через два последовательно соединенных поглотительных прибора с 5 мл дистиллированной воды в каждом. По окончании отбора пробу в количестве мл из первого поглотительного прибора и 3 мл из второго вносят в колориметрические пробирки. Один мл пробы доводят до З мл. Одновременно готовят шкалу стандартов. Затем в пробирки шкалы и пробы добавляют по 0, мл 2% раствора хромотроповой кислоты и по 2 мл концентрированной серной кислоты, перемешивают и нагревают в течение 30 минут в кипящей водяной бане, охлаждают и сравнивают интенсивность окраски пробы со шкалой.

Содержание оксида углерода и суммы углево-дородов в воздухе рабочей зоны теплицы определялось при помощи хромато-графического метода [68]. Суть данного метода заключается в следующем. Пробы отбираются в газовые пипетки. Затем содержимое пипетки вводят в хромотограф с пламенноионизационным детектором. Полученную хромато-грамму пробы анализируют и при помощи градуировочного коэффициента определяют концентрацию соответствующего вещества в пробе.

2.2. Результаты измерений параметров микроклимата в помещениях теплиц при проведении энергоемких сельскохозяйственных операций В отдельном тепличном блоке могут возделываться несколько различных видов тепличных культур, с различными сроками вегетации. Поэтому в ряде случаев использование естественной вентиляции внутри помещений не возможно, так как понижение температуры окружающего воздуха губительно для некоторых видов растений. Это указывает на то, что для поддержания воздушно-газового режима теплицы на безопасном для людей и растений уровне является не только вентиляция, но и снижение содержания токсичных компонентов, входящих в состав отработавших газов. Кроме этого, при выполнении основной энергоемкой операции по обработке почвы, трактор используется внутри помещения теплиц 6-8 часов.

Перед началом эксперимента в тепличном блоке не проводилось энергоемких операций около 40 часов. Поэтому фон атмосферы теплицы был проверен с помощью экспресс-метода газораспределителем ГХ-4 по ГОСТс применением индикаторных трубок NO+NO2-0,005 и СО-0,2 и составных NO X -%, СО-%.

Трактор во время эксперимента выполнял основную обработку тепличных грунтов роторным копателем КР-1,5, так как при данной операции обеспечивается максимальная загрузка тракторного двигателя, при которой токсичность его выхлопа максимальна. Через один час работы трактора в невентилируемой теплице получены данные, результаты которых приведены в таблице 2.1.

Из данных, приведенных в таблице 2.1 видно, что при проведении энергоемких сельскохозяйственных операций по основной обработке почвы предельно допустимые концентрации отдельных основных видов токсичных веществ значительно превышают предельно допустимые концентрации.

Таблица 2.1 – Состояние воздушной среды атмосферы теплиц при проведении энергоемких сельскохозяйственных операций Наименование Обнаруженная Предельно допусти Превышение пре определяемого концентрация, мая концентрация, дельно допустимой Но концентрация аммиака возросла до 0,02 мг/м3, сероводорода - до 0,0012 мг/м3, что значительно меньше ПДК. Поэтому в дальнейшем нет необходимости проводить замеры их содержания в атмосферном воздухе теплиц.

Для того, чтобы представить динамику изменения концентрации вредных веществ в воздушной среде, в теплице при закрытой вентиляции нарабатывалась токсичная атмосфера трактором в течении 3 часов, что составляет половину рабочей смены. Результаты исследований приведены на рисунок 2.1.

Из рисунка 2.1 видно, что через три часа работы трактора внутри помещения теплиц при закрытой вентиляции содержание таких вредных веществ как оксиды азота, оксид углерода, сумма углеводородов превышает предельно допустимые концентрации соответственно в 10,7; 2,8; 11,6 раза, что крайне негативно скажется на качестве производимой продукции и здоровье обслуживающего персонала.

* - оксид углерода, - сумма углеродов, - оксид азота.

Рисунок 2.1 – Графические зависимости изменения концентрации основных токсичных компонентов в атмосфере теплиц при закрытой вентиляции После наработки токсичной атмосферы в теплице делалась выдержка минут для выравнивания атмосферы, затем полностью открывались фрамуги с подветренной стороны, и повторно проводились замеры состояния атмосферы теплицы. Данные замеров представлены на рисунок 2.2. Из рисунок 2.2 видно, что при полностью открытой вентиляции концентрация основных вредных веществ понизится до предельно допустимых значений по оксиду углерода через 2,4 часа; суммы углеводородов и оксидов азота - 6 часов, после трех часов работы трактора при отключенной вентиляции.

* - оксид углерода, - сумма углеродов, - оксид азота.

Рисунок 2.2 – Графические зависимости изменения концентрации основных токсичных компонентов при полностью открытых фрамугах после окончания выполнения энергоемких операций Для того чтобы представить динамику концентрации вредных веществ атмосферы теплицы, составим таблицу 2.2.

Таблица 2.2 - Динамика изменения состояния атмосферы теплицы.

Наименование ПДК, Концентрация Концентрация Превышение Достижение углеводородов Процесс снижения концентрации вредных веществ в воздушной среде теплиц описывается законом [11]:

где С – текущее значение концентрации вредного вещества в атмосфере k – опытный коэффициент, характеризующий динамику воздухообмена;

t – текущее время, ч.

То есть скорость уменьшения концентрации вредных веществ пропорциональна его концентрации в атмосфере теплицы в данный момент времени.

Преобразовав и проинтегрировав это выражение, получим:

где С о - начальное значение концентрации, мг/м.

Получим:

характеризующий динамику воздухообмена:

Рассчитаем «К» по изменению концентрации оксидов азота. Перед открытием фрамуг концентрация С 0 = 0,871, а через два часа после начала работы естественной вентиляции С =0,37:

Найдем время, после которого концентрация оксидов азота в атмосфере теплиц будет равна ПДК, по формуле, получаемой из выражения (2.5):

где С = 0,085 мг/м3 - предельно допустимая концентрация оксидов азота.

Таким образом, расчетные данные незначительно отличаются от результатов опытов.

Аналогичные расчеты могут быть выполнены для других вредных веществ, содержащихся в атмосфере теплицы.

2.3. Теоретический анализ динамики состояния вентилируемой воздушной среды теплиц при выполнении в них механизированных работ машинно-тракторным агрегатом При выполнении механизированных работ в теплицах тракторами возникает опасность накопления вредных веществ в ее атмосфере, что отрицательно сказывается на здоровье работающих, развитии растений и качестве продукции. Загрязнение воздуха в помещениях отработавшими газами двигателя, требует комплексных мероприятий по снижению негативных последствий загрязнения атмосферы теплиц, что обеспечивается на практике за счет вентиляции.

Вентиляция позволяет создать необходимый микроклимат помещений теплиц. При недостаточной вентиляции требуется периодическая остановка трактора, что отрицательно сказывается на производительности работы машинно-тракторного агрегата (МТА).

Основным условием, допускающим применение МТА в теплицах, является такое соотношение между выделением двигателями вредных веществ и их разбавлением воздухом, при котором концентрация этих веществ в атмосфере не превышает предельно-допустимого уровня, предусматриваемого санитарными нормами. Аналитически это условие [44] может быть выражено как:

где [С] i - ПДК i - го вредного компонента в воздухе теплицы;

B t - выделение i - го вредного компонента дизельным двигателем;

Q e - объем воздуха, в котором распространяется ВВ, выделяемое двигателем в единицу времени.

оказывающие существенного влияния на достоверность конечных результатов:

1 - параметры воздушного потока и выделение ВВ существующим двигателем внутреннего сгорания не изменяются во времени;

2 - скорость диффузии ОГ бесконечно большая во всех направлениях;

3 - ВВ выхлопа распространяется в объеме равномерно.

Концентрация ВВ в зоне загрязнения будет определяться:

где В о - количество вредного вещества, выделенного двигателем;

С о - начальное содержание вредного вещества в воздухе помещения.

Объем количества вредного вещества В о, выделяющегося при работе дизельного двигателя, определяется по формуле (2.9):

где С Г - концентрация рассматриваемого токсичного компонента в ОГ, г/м3;

М Г - количество ОГ,м3.

Количество ОГ у четырехтактных двигателей внутреннего сгорания без наддува можно определить по выражению (м3/г) [44]:

где i - число цилиндров двигателя;

V h - рабочий объем цилиндра;

п - частота вращения коленчатого вала двигателя.

С учетом уравнений (2.9) и (2.10) выражение (2.8) примет вид:

где t - время работы трактора.

Выражение (2.11) справедливо тогда, когда во время работы трактора отсутствует вентиляция помещения.

При выполнении энергоемких работ в теплицах (основная обработка почвы), как правило, трактор работает при открытых фрамугах, т.е. при воздухообмена.

Полагая, что с момента начала работы трактора концентрация вредного вещества постепенно нарастает при одновременном выносе части вредных веществ вентиляционным потоком за пределы теплицы, скорость изменения концентрации ВВ в помещении составит:

Скорость изменения количества ВВ в теплице прямо пропорциональна выносу этих веществ вентилируемым воздухом:

Проинтегрировав обе части уравнения (2.13), получим:

где В о - выделение дизельным ДВС ВВ.

Подставим уравнение (2.14) в уравнение (2.12), получим:

Проинтегрировав это уравнение при начальных условиях t=0, C=C 0, получим:

Преобразовав уравнение 2.18, получим:

С учетом уравнений (2.9) и (2.10), выражение (2.19) примет вид:

экологического ущерба в данном помещении при работающей вентиляции примет вид:

Данная формула допускает применение дизельных двигателей в выделением двигателями токсичных веществ и их разбавление воздухом, при допустимых концентраций.

2.4. Обогащение воздушного заряда присадкой сжиженного газа как средство снижения токсичности выхлопа дизельного двигателя Современный уровень развития дизельных двигателей характеризуется возрастающими требованиями к их эксплуатационным, экономическим и экологическим показателям. Большинство известных методов улучшения экологических показателей, направленных на снижения дымности и токсичности ОГ дизельного двигателя, находятся либо в противоречии с требованиями улучшения экономических показателей, либо требуют дополнительных энергетическую установку в целом. Перспективным путем решения этих задач для эксплуатирующихся двигателей является такая организация и управление их работой, которая наряду с высокими экономическими показателями позволит получить приемлемые показатели по его дымности и токсичности.

Большинство исследователей [50, 51, 61, 143, 144] проводят анализ тепловыделения и, в частности, скорости тепловыделения. Эти характеристики позволяют выделить два периода процесса сгорания в дизельных двигателях:

объемное (взрывное) сгорание и диффузное (основное). По современным представлениям о механизме образования основных токсичных компонентов ОГ дизельных двигателей - оксидов азота (NO X ) и сажи, определяющих уровень дымности, параметры рабочего тела в период взрывного и диффузного сгорания оказывают основное влияние на выход NO X и сажи с ОГ.

При взрывном сгорании высокие скорости тепловыделения и нарастания давления приводят к появлению в топливовоздушном факеле зон с температурой, соответствующей сильной диссоциации молекул. Имеющийся при этом избыток кислорода способствует образованию оксидов азота NO X. С другой стороны, вялое течение процесса сгорания в его основной фазе, характеризуется увеличением выхода сажи с ОГ и ухудшением экономичности.

Представляется возможным при снижении скорости тепловыделения в период взрывного сгорания снизить содержание оксидов азота и сажи в ОГ, а при повышении скорости тепловыделения в период диффузного сгорания - снизить образование сажи.

Условия подачи топлива в двигатель определены в ряде работ отечественных и зарубежных ученых. Основное из них заключается в необходимости ограничения количества топлива и скорости его поступления за период задержки самовоспламенения.

Вопросами организации и исследования систем подачи двух топлив в дизельных двигателях занимались: Варшавский И.Л., Сахаров А.Г., Вырубов Д.Н., Лиханов В.А., Либеров И.Е., Умеров В.М. и др. [50, 51, 61, 144, 146, 149, 153, 249, 250]. Ими установлено, что предварительно поданное в цилиндр дополнительное топливо создает в нем бедную гомогенную смесь, не способную к самовоспламенению из-за низкой концентрации топлива в ней. В процессе сжатия она успевает пройти все необходимые стадии физической и химической подготовки с образованием определенной концентрации химических радикалов, являющихся активными центрами. Эти радикалы представляют собой продукты неполного окисления, способные резко ускорить воспламенение основной части заряда.

В результате реализации описанного способа смесеобразования заметно снижается период задержки воспламенения, существенно уменьшается доля топлива, сгоревшего в период объемного сгорания, снижается максимальная скорость тепловыделения и концентрация оксидов азота в ОГ.

Снижение токсичности отработавших газов базируется на следующем:

1 - уменьшается объем зон в камере сгорания с очень богатой смесью, что приводит к уменьшению массы паров, подверженных процессам пиролиза и окислительного крекинга;

2 - уменьшается количество топлива, попадающего на стенки камеры сгорания, и повышается вероятность полного его испарения;

3 - снижение температуры отработавших газов приводит к вероятности снижения в них доли оксидов азота.

осуществляется в виде двух разновеликих порций. При этом первая присадка сжиженного газа подается в период такта впуска, вторая - в конце такта сжатия.

Газ за счет температуры остаточных газов прогревается и образует со свежепоступающим зарядом воздуха бедную и равномерную по составу смесь, которая в последующем проходит необходимые стадии предпламенной подготовки и обеспечивает полное сгорание основного топлива.

При выборе величины присадки газа с учетом ее положительного влияния на состав ОГ должны учитываться следующие факторы:

1 - необходим достаточный запас тепла для прогрева смеси газа со свежепоступающим зарядом воздуха;

2 - начало подачи газа осуществлять при достижении 60...70 % от номинальной мощности.

воспламенение топлива в дизеле, в основном, определяется двумя факторами:

количеством подведенной к горючему теплоты и временем, в течение которого она была подведена.

Первый фактор зависит от процессов теплопередачи и диффузии и практически полностью определяется теплосодержанием воздуха в цилиндре;

второй - от периода задержки воспламенения, определяемого преимущественно свойствами топлива. При этом суммарный период задержки воспламенения интенсивностью физических и химических процессов.

Известно [146], что для обеспечения воспламенения в цилиндре температура воздуха, по крайней мете, равнялась минимальной температуре воспламенения при требуемой величине задержки воспламенения. Таким образом, в предельном случае необходимо, чтобы:

где Т вос min – минимальная температура воспламенения смеси;

Т см, Т вп – соответственно температура смеси в момент воспламенения и Условие равенства будет выполняться, если при впрыске топлива температура воздуха Т ВП не понизится до величины меньшей, чем Т восп = Т см, вследствие расхода теплоты на нагрев, испарение и перегрев паров топлива.

Рассмотрим в общем виде, как выполняется условие (2.22) при работе дизельного двигателя с подачей двух видов топлива. Некоторая часть топлива в виде присадки сжиженного газа будет подаваться на такте всасывания и к моменту сжатия образует в цилиндре бедную газовоздушную смесь, состоящую из остаточных газов и газовоздушной смеси.

Условие (2.22) в виде:

где – теплота, сообщаемая воздуху и топливу от начала впрыска до начала Q – потери теплоты на нагрев и испарение топлива, перегрев его паров Составляя баланс теплоты, сделаем следующие допущения:

- топливо, подаваемое в дизельный двигатель в период такта всасывания, нагревается за счет теплоты остаточных газов;

- основное топливо q 0CHJ, поданное в период задержки воспламенения, состоит из однородных капель с некоторым средним диаметром и за период i 0 полностью испаряется.

Нагрев, испарение топлива, а также перегрев его паров происходит за счет энергии сжатого воздуха.

Определим расход теплоты на нагрев и перегрев дополнительного топлива qдоп.

Теплота нагрева за время dt составит:

где qiдоп – масса дополнительного топлива газа, поданного за время dt;

С Г – теплоемкость газа;

dT z – изменение температуры дополнительного топлива за время dt.

При нагреве частицы дополнительного топлива, его испарение будет незначительным. Если считать, что скорость изменения температуры дополнительного топлива равна dT г /dt, то можно записать:

Теплота, расходуемая на нагрев всего дополнительного топлива от начала впуска до конца периода нагрева, составит:

где t нв, t кн – соответственно время начала впуска и конца периода нагрева В первом приближении допускаем прямолинейный характер изменения температуры дополнительного топлива по времени, поэтому теплоту, идущую на нагрев, можно записать как:

где Т го, Т г – температура дополнительного топлива соответственно начальная Теплота, расходуемая на нагрев смеси дополнительного топлива с воздухом в процессе сжатия, определится из выражения:

где G cм – масса смеси;

С см – средняя теплоемкость смеси.

Массу смеси можно подсчитать по выражению:

где доп – коэффициент избытка воздуха смеси по дополнительному топливу;

L0 – теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1кг – коэффициент остаточных газов.

Формула (2.27) с учетом выражений (2.28) и (2.29) примет вид:

Для определения количества теплоты, образующейся в цилиндре политропного процесса:

где п – показатель политропы сжатия.

Запишем уравнение (2.31) в виде:

Если не учитывать нагрева смеси за счет химических реакций, происходящих до воспламенения, то можно записать:

где t сж,t вос – соответственно время сжатия и начала воспламенения топлива.

Подсчитав расход теплоты на нагрев капель, испарение и перегрев паров основного топлива, впрыскиваемого за период задержки воспламенения, можно подсчитать теплоту нагрева:

где С к – теплоемкость капли дизельного топлива;

qiосн – количество основного топлива, впрыскиваемого за период задержки Теплота, затраченная на прогрев основного топлива, впрыскиваемого за время от начала впрыска до конца нагрева (начала испарения), будет равна:

где t исп, t вп – соответственно время конца нагрева и начала впрыска.

Рассуждая аналогично, как и при определении теплоты, затраченной на прогрев основного топлива, впрыскиваемого за время от начала впрыска до конца нагрева (начала испарения) Qндоп, можно записать:

где Т к0, Т к – соответственно температура начальной капли и в конце периода С к – теплоемкость паров основного топлива.

Температура испарения и перегрева паров основного топлива за время dt определится из выражения:

где J - теплота парообразования топлива, являющаяся функцией температуры;

Т вп – температура капли в рассматриваемый момент;

С к – теплоемкость паров топлива.

где К – коэффициент пропорциональности, зависящий от температуры среды, размера капель и сорта топлива.

Тогда общее количество теплоты, поглощенной qiосн за период испарения и перегрева паров t вос, будет равно:

Полагая, что функция линейная в виде (t ) а bt и пренебрегая членами t2 ввиду их малости, запишем окончательно выражение (2.42) примет С учетом принятых выше допущений запишем условие воспламенения топлива при подаче двух видов топлив на базе общего баланса теплоты в цилиндре дизеля, начиная от начала подачи дополнительного топлива до момента воспламенения:

Подставляя в выражение (2.44) определенные выше составляющие теплового баланса (2.33), (2.37), (2.38), (2.39) получаем:

После преобразований выражение (2.45) примет окончательно вид:

Выражение (2.46) характеризует условие воспламенения основного топлива при подаче двух видов топлива. Оно указывает на более благоприятные условия воспламенения при таком способе организации рабочего процесса по сравнению с обычным. Это объясняется особенностями подготовки к воспламенению присадки сжиженного газа [146].

Анализ выражения (2.46) позволяет сделать предположение, что при прочих равных условиях воспламенение при подаче двух видов топлива зависит, в основном, от отношения доз топлива q осн и q доn, а также от степени подготовленности к воспламенению дополнительно подаваемого газового топлива к моменту впрыска основного. Это в свою очередь, будет определяться особенностями физических и химических процессов, происходящих в топливовоздушной среде, образуемой в цилиндре двигателя к началу впрыска основного топлива.

К моменту начала сжатия сжиженный газ, перемешиваясь в процессе всасывания с остаточными газами поступающим в цилиндр воздухом, образует в цилиндре сильно переобедненную гомогенную смесь. Известно, что в таких смесях плохо образуются активные центры, и они плохо воспламеняются.

переобедненности. Так, для быстроходных дизельных двигателей нижний коэффициенту избытка воздуха примерно 3,5...4,0. Тем не менее можно полагать, что воздействие остаточных газов, а также воздействие температуры и давления на газовоздушную смесь в процессе сжатия стимулирует протекание в этой смеси отдельных стадий низко-температурного многостадийного самовоспламенения. Также ускоряются предпламенные экзотермические реакции, способные повысить давление сжатия к моменту впрыска основного топлива. На это явление прямо указывают работы А.Г.

Сахарова, З.А. Хандова, И.Е. Либерова, Л.Я. Орлова [134, 143, 146, 147, 249].

Можно полагать, что при подаче присадки сжиженного газа в такте всасывания в цилиндре двигателя к моменту впрыска основного топлива закончатся отдельные стадии объемного самовоспламенения с образованием активных центров. Поэтому достаточно создать некоторую концентрационную неоднородность смеси путем впрыска основного топлива, чтобы получить бурный рост в этой смеси числа активных центров и очагов горения.

Конечным результатом подготовки смеси к воспламенению в этом случае является резкое сокращение периода задержки воспламенения топлива, что повышает управляемость процессом сгорания, снижает динамическую напряженность работы дизельного двигателя и увеличивается его моторесурс [143, 146, 147]. Кроме этого, снижение периода задержки воспламенения топлива при подаче двух топлив позволяет приблизить процесс сгорания в дизеле к процессу сгорания в карбюраторном двигателе и, тем самым, повысить его индикаторный к.п.д. и экономичность.

Рассмотрение полученного условия воспламенения при подаче двух свидетельствует о том, что управляемость процессом сгорания улучшается при прочих равных условиях, по мере роста величины подаваемого в воздушный заряд топлива - обогатителя. Для обеспечения управляемости процессом сгорания максимально допустимая величина дополнительного топлива должна быть такой, чтобы не происходило самовоспламенение сжимаемой смеси до момента впрыска основного топлива.

Рассматривая уравнения (2.44) и условие (2.46), можно записать:

Условие управляемости процессом сгорания при подаче двух видов топлива с подачей присадки сжиженного нефтяного газа в среду остаточных газов будет:

возможной управляемости процессом сгорания при подаче двух видов топлива.

2.5. Устройство по обогащению воздушного заряда присадкой модернизированную систему питания (Патент РФ на полезную модель №122710) дизельного ДВС Д-21А [353.354], схема которой показана на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 – Схема модернизированной системы питания дизеля Д-21А Для питания двигателя газом используется бытовой газовый баллон емкостью 5 литров, на горловине которого закрепляется понижающий бытовой газовый регулятор 10. В связи с малым расходом газа его забор осуществляется из газовой подушки, наличие которой в баллоне обеспечивается положительной температурой окружающей среды. Газовый редуктор через шланг 2 связывается с предохранительным электромагнитным клапаном 3, выполненным вместе с фильтром газа. Электромагнитный клапан открывается с рабочего места тракториста-машиниста электровыключателем 6, а при этом загорается контрольная лампа. От электромагнитного клапана газ по шлангу поступает к газовому корректору 9, установленному на задней крышке регулятора топливного насоса 11 двигателя, затем во впускной трубопровод 7 и цилиндр двигателя 13. Данная схема для питания двигателя сжиженным газом выбрана из соображений возможности использования в ней бытовой газоподающей аппаратуры (баллон, понижающий газовый редуктор и т.д.) в связи с малым расходом газа.

Поступление газа нарастает пропорционально росту нагрузки до тех пока толкатель поднимается под давлением рычага до его упора.

С целью исследования присадки на процесс смесеобразования, сгорания, развития мощности двигателя и образования токсичных газов нами разработана модернизированная топливная аппаратура с газовым корректором (Патент РФ на полезную модель №123466) [353,354] (рисунок 2.4-2.6).

Корпус корректора 8 устанавливается на задней крышке регулятора топливного насоса. Штифт 5 упирается нижним концом на верхний торец толкателя корректора 2, а верхним концом упирается в игольчатый клапан 10.

В полости А установлена пружина 12, усилие которой регулируют прокладками штуцера 11, ввернутого в верхний торец корпуса 8.

Полость А через штуцер, трубопровод и электромагнитный клапан сообщается с понижающим редуктором и далее с газовым баллоном. Полость Б через трубопровод, подсоединенный к штуцеру, сообщается с впускным коллектором двигателя. При снижении скоростного режима двигателя из-за роста нагрузки в работу вступает корректор. Корректор изменяет подачу основного дизельного топлива и одновременно с помощью толкателя 2 и штифта 5 плавно открывает игольчатый клапан 10. Расход газа будет плавно возрастать при увеличении нагрузки. Газ из баллона через редуктор поступает в полость А, а затем в полость В, из которой поступает во впускной трубопровод двигателя.

1 - пружина всережимного регулятора; 2 - толкатель; 3 - задняя крышка корпуса насоса; 4 - корпус корректора; 5 - штифт; 6 -пружина корректора; 7 - винт регулировочный; 8 - корпус газового корректора; 9 - корпус седла клапана; 10 игольчатый клапан; 11 - штуцер; 12 - пружина клапана; 13 - седло клапана; 14 уплотнительное кольцо; 15 - шток корректор Рисунок 2.4 - Схема газового корректора Рисунок 2.5 – Топливный насос НД-21/2 с газовым корректором 1 – корпус газового корректора; 2 – клапан с пружиной; 3 – штатный корректор топливного насоса НД 21/2; 4 – штифт; 5 – корпус седла клапана; 6 – штуцер.

Рисунок 2.6 – Основные узлы и детали газового корректора 2.6 Лабораторные исследования способа подачи двух видов топлива как средства снижения токсичности отработавших газов 2.6.1 Программа и методика лабораторных исследований дизельного двигателя Д-21А и модернизированного трактора Т-25А Программа исследований предусматривает:

- снятие нагрузочных характеристик двигателя Д-21А;

- исследование токсичности выхлопа тракторного дизеля Д-21А при работе со штатной топливной аппаратурой;

- исследование токсичности выхлопа при работе с модернизированной аппаратурой.

2.6.1.1 Установка для лабораторных исследований двигателя Д-21А Экспериментальные исследования проводились на базе лаборатории испытаний автотракторных двигателей Рязанской государственной сельскохозяйственной академии. Схема экспериментальной установки представлена на рисунке 2.7.

двухцилиндровый дизельный двигатель воздушного охлаждения Д-21А Владимирского тракторного завода, устанавливаемый на тракторах Т-25А и различных модификациях тракторов и самоходных шасси класса 0,6 кН, нашедших широкое применение в сельскохозяйственном производстве, в том числе в теплицах.

В качестве загрузочного устройства при испытаниях дизельного двигателя применялся электрический тормозной стенд САК-670. Тормозной стенд состоит из балансирной машины постоянного тока с весовым механизмом, пультом управления, вспомогательным оборудованием, реостатами, силовыми шкафами преобразователя напряжения.

Электрическая балансирная машина может работать как в режиме двигателя, так и в тормозном режиме. В двигательном режиме балансирная машина служит для прокрутки двигателей, определения в нем потерь трения.

1-блок приборов для контроля за техническим состоянием двигателя; 2-осциллограф катодный С-1-19; 3-устройство стробоскопическое; 4-усилитель ПШС-10; 5-пьезодатчик давления газов; 6-насос топливный высокого давления НД-21/2; 7усилитель тиратронный; 8-дизель Д-21 А; 9-бак топливный; 10-весы ВНЦ; 11-кран трехходовой; 12-устройство регистрирующее индикатора МАИ-2; 13-рама; 14-основание; 15-стойка; 16-стойка балансирная; 17-стенд тормозной постоянного тока САК-670; 18-тахометр механический центробежный ТМ-3; 19-пульт управления; 20-ресивер воздушный с роторными счетчиками РС-100; 21-балон газовый; 22-счетчик газовый ГКФ-400; 23-рудуктор газовый понижающий; 24термометр; 25-шкаф электрический; 26-датчик начала подъема иглы форсунки; 27-дозатор-смеситель газа; 28-пробоотборник отработавших газов; 29-сажемер и дымомер ЛАНЭ; 30-вал карданный Рисунок 2.7 – Схема экспериментальной установки В генераторном режиме - принимает энергию, выработанную двигателем, и отдает ее в трехфазную сеть или на нагрузочное соединение. Соединение двигателя с машиной осуществляется карданной передачей. Тормозной стенд САК-670 позволяет замерять мощность до 125 кВт в интервале 600...6000 мин- при рабочем напряжении 400 В.

Для замера скоростного режима установлен механический центробежный тахометр ТМ-3 с пределами измерений от 0 до 3000 мин-1. Привод тахометра осуществлялся гибким валом (i=1) от вала балансирной машины.

На стенде были установлены предложенные нами модернизированная система питания дизеля Д-21А и газовый корректор (рисунок 2.2 - 2.6). Как уже отмечалось, выше подача газа в воздушный заряд должна включаться и дозироваться газовым корректором, установленном на регуляторе топливного насоса. С целью настройки топливного насоса и корректора на необходимый момент включения и дозировку газа корректором, они подверглись безмоторным испытаниям на стенде для проверки и регулировки дизельной топливной аппаратуры фирмы «Моторпал» Чехословакия.

На данном стенде путем предусмотренной в конструкции корректора регулировки устанавливался момент включения подачи газа, соответствующей подаче основного дизельного топлива равной 70...80 % ее номинального значения. Также на стенде путем продувки системы газом определялась пропускная способность дозатора-смесителя газа, который затем настраивался на подачу газа 0,9...1,1 кг/ч. Расход газа определялся взвешиванием баллона типа «1-5» ГОСТ 15860-70 вместимостью пять литров.

На рисунке 2.8 представлены характеристики топливного насоса НД-21/ и корректора по подаче, на рисунке 2.9 - регуляторная характеристика топливного насоса.

Проверка эффективности метода снижения токсичности выхлопа обогащением воздушного заряда дизельного двигателя присадкой сжиженного газа проводилась путем моторных стендовых испытаний этого двигателя в лаборатории испытаний по приведенной выше методике.

1 - характеристика по подаче топлива серийного топливного насоса;

2 - характеристика по подаче топлива модернизированного топливного насоса;

3 - характеристика газового корректора по подаче газа.

Рисунок 2.8 – Характеристика топливного насоса по подаче топлива Рисунок 2.9 – Регуляторная характеристика модернизированного топливного Эксперименты проведены при работе двигателя на номинальной мощности 18,4 кВт (25 л.с), при номинальном скоростном режиме - 1800 мин-1, при расходе газа обогатителя 0 кг/ч. При этом двигатель работает на дизельном топливе.

Расход топлива замерялся весовым способом, использовались весы ВНЦ и емкость 3 дм3. Масса контрольной навески принималась 100 г.

Расход воздуха замерялся газовым счетчиком ротационного типа PC-100.

С целью снижения пульсации использовался резервуар емкостью 200 литров.

Сопротивление счетчика и резервуара на впуске не превышает сопротивление воздухоочистителя. С целью удобства замера считывающий механизм вынесен на пульт управления.

Система для подачи сжиженного газа в паровой фазе включает в себя газовый баллон, бытовой редуктор давления газа, счетчик расхода газа ГКФ, кран для регулировки подачи газа, газовоздушный смеситель.

Температура и давление окружающего воздуха определялись с помощью ртутных термометров и барометра. Полученные результаты приводились к нормальным атмосферным условиям согласно ГОСТ 18509-80.

Температура масла в двигателе измерялась с помощью прибора ТСМ-100.

Давление масла в системе измерялось штатным датчиком и манометром.

Угол опережения впрыска топлива измерялся изготовленным на кафедре устройством, позволяющим менять этот угол на работающем двигателе. Замер угла опережения начала подачи топлива осуществляется стробоскопом. С этой целью на форсунку первого цилиндра устанавливался датчик начала подъема иглы форсунки. Угол контролировался на диске, установленном на шкиве коленчатого вала, шкала градуировалась с точностью 1°.

Для визуального наблюдения за ходом рабочего процесса двигателя на установке использовался катодный усилитель С-1 -19 с усилителем пьезотоков ПШС-10. Для установки пьезодатчика в головке первого цилиндра выполнили специальные сверления. Охлаждение датчика осуществлялось проточной водой.

Отбор проб ОГ производился согласно методике разработанной в лаборатории НПО «Двигатель» г. Москва и института проблем машиностроения АН Украины [Методические указания по определению вредных веществ в отработавших газах тракторных и комбайновых дизелей.

ЦНИЛТД, М., 1977, Макаров А.А., Маркелова А.И.; Методы анализа отработавших газов двигателей. Институт проблем машиностроения АН УССР, 1978].

Анализ ОГ производился на следующих газоанализаторах:

- СО - хроматограф ЛХМ-8М модель 3 с использованием термического детектора. Предел чувствительности 1·10 -2, погрешность ±3 %.

- NO X - фотоэлектроколориметр КФК с использованием реактива Зальцмана, точность ± 5 % Дымность ОГ измерялась с помощью сажемера ЛАНЭ 35/350 с использованием в качестве фильтра ткани Петрянова, оптическая плотность ОГ замерялась дымомером, изготовленным на кафедре согласно ГОСТу 18509-80 и OCTу 23.1.441-76.

вакуумированные стеклянные пипетки, изготовленные согласно методике ЦНИЛТД [см. выше] Температура ОГ, а также головки блока цилиндров между клапанами измерялась с помощью комплекта термопар с приемниками.

2.6.1.2 Методика исследования токсичности выхлопа тракторного дизеля Д-21А с присадкой сжиженного газа Подача двух видов топлива в дизельный двигатель Д-21А влияет на изменение его мощностных, экономических, динамических и токсичных показателей. Поэтому вопросы точности измерений имеют особое значение.

Параметры дизельного двигателя определялись в соответствии с ГОСТ 18509-80.

Для исследования влияния подачи двух видов топлива на токсичность и дымность ОГ и рабочие показатели сельскохозяйственных тракторов стендовые испытания проводились в два этапа. В основу методики исследования положен сравнительный метод.

На первом этапе исследований предусматривалось получение данных по влиянию на токсичность и дымность ОГ дизеля оптимальных регулировок, получение наилучших эффективных показателей дизеля при работе серийного двигателя.

На втором этапе исследований предусматривалось получение данных по влиянию подачи двух видов топлива на токсичность и дымность отработавших газов, определение оптимальных регулировок и изменение эффективных показателей на различных скоростных и нагрузочных режимах.

При проведении стендовых исследований, монтаже оборудования, приборов отборе проб ОГ и их анализе учитывались требования ГОСТа 20000Дизели тракторные и комбайновые. Виды и программы стендовых испытаний», ГОСТа 18509-80 «Дизели тракторные и комбайновые. Методы стендовых испытаний», ОСТа 23.1.440-76 «Дизели тракторные и комбайновые Выбросы вредных веществ с отработавшими газами», ОСТа 23.1.441- «Дизели тракторные и комбайновые. Дымность отработавших газов».

2.6.2 Методика проведения многофакторного эксперимента Для проведения эксперимента по определению влияния на количество сажи и количество оксида азота среди различных параметров были выбраны топлива, кг/час, х 2 – присадка сжиженного газа, кг/час, х 3 – мощность двигателя, кВт [16,51, 95, 98, 190, 191, 197].

Нас интересуют линейные и парные эффекты взаимодействия.

Математическую модель каждого исследуемого процесса будем искать в виде:

факторный эксперимент типа 23.

Факторы, влияющие на количество сажи и оксида азота, уровни их варьирования, план и результаты эксперимента приведены в таблицах 2.3, 2.4, 2.5, 2.6, 2.7, 2.8, 2.9, 2.10.

Таблица 2.3 – Факторы и уровни их варьирования Таблица 2.4 - Расширенная матрица планирования определению влияния выбранных факторов на количество сажи, результаты опытов и дисперсия опытов приведены в таблице 2.5.

Таблица 2.5 - План эксперимента и результаты опытов проверка однородности дисперсий Проверим однородность проведенного эксперимента по критерию Кохрена.

Вычисляем дисперсии каждого опыта по формуле:

где j = 1,2,…8, m = 2, m – число повторений каждого опыта.

Определим расчетное значение критерия Кохрена:

Определяем числа степеней свободы: f 1 = m - 1 = 2, f 2 = N = 8.

Для уровня значимости q = 0,05 в таблице находим G кр = 0, этого значения, то гипотеза об однородности дисперсии не отвергается.

Вычисление коэффициентов уравнения регрессии Коэффициенты уравнения регрессии находим методом наименьших квадратов. Коэффициенты уравнения регрессии вычисляем по формулам:

где х ij – значение i - го фактора в j - ом опыте;

у cp j –среднее значение отклика по повторным опытам, u,i=0,1,2,…,k, ju;

k – число факторов.

Получим: b 0 = 0,406; b 1 = 0,056; b 2 = - 0,184; b 3 = - 0,016;

b 12 = - 0,014; b 13 = 0,015; b 23 = 0,00375.

Проверка значимости полученных коэффициентов Определяем дисперсию воспроизводимости :

Находим дисперсию ошибки определения коэффициентов уравнения регрессии Определяем число степеней свободы: f 3 = N(m-1) = 8(2 - 1) = 8.

Выбираем уровень значимости q = 0,05.

В таблице [2.1] по заданным q и f 3 находим t кр = 2,31.

Для коэффициентов уравнения регрессии подсчитываем доверительный интервал:

доверительного интервала, следовательно, коэффициент b 23 признается незначимым. Поэтому уравнение регрессии имеет вид:

Таблица 2.6 - Расчет дисперсии адекватности Дисперсию адекватности найдем по формуле:

где l – число значимых коэффициентов уравнения регрессии;

y p j – расчетное по уравнению регрессии значение отклика в j – ом опыте;

y cp j – среднее значение отклика в j – ом опыте.

Найдем дисперсионное отношение критерия Фишера:

Определяем числа степеней свободы: f4 =Nl=86=2, f3 =N(m1)=8.  Таблица 2.1. значение для уровня значимости q = 0,05 будет F кр = 4,5.

Так как F р < F кр (0,686 < 4,5), то полученное уравнение регрессии адекватно исследуемому процессу и имеет вид:

у = 0,406 + 0,056x 1 - 0,1845x 2 - 0,016x 3 - 0,014x 1 x 2 + 0,015x 1 x 3. (2.59) Наибольшее влияние на параметр оптимизации у (количество сажи) оказывает фактор х 2 (присадка сжиженного газа), для уменьшения параметра оптимизации необходимо увеличивать фактор х 2. Наименьшее значение на параметр оптимизации оказывает фактор х 3 (мощность двигателя). Характер влияния факторов х 1 (количество топлива) и х 3 различен: для уменьшения параметра оптимизации необходимо уменьшать фактор х1 и увеличивать фактор х 3.

Эффекты совместного влияния факторов x 1 x 2 и x 1 x 3 выражены слабее линейных эффектов. Коэффициент при x 1 x 2 имеет отрицательный знак, поэтому к уменьшению функции отклика будет вести одновременное уменьшение или увеличение факторов. Коэффициент при x 1 x 3 имеет положительный знак, поэтому к уменьшению функции отклика ведет либо уменьшение x 1 и увеличение x 3, либо наоборот. Из сказанного следует, что к уменьшению параметра оптимизации ведет увеличение факторов x 2 и x 3 и уменьшение фактора x 1.

Проведем оптимизацию исследуемого объекта градиентным методом (таблица 2.7).

Таблица 2.7 – Градиентный метод № Последовательность операций кг/час газа, кг/час двигателя, кВт азота Наилучший результат получен в 19 и 20 опытах при следующих значениях: топливо 3,25 … 3,15 кг/час, присадки газа 1 кг/час, мощность двигателя 17,5 … 17,55 кВт.

Раскодирование полученного уравнения (2.59) в расчетную формулу проведем по следующей формуле:

где xi – натуральное значение фактора;

~ – натуральное значение основного уровня фактора;

~i – интервал варьирования фактора.

Подставляя данные формулы в уравнение (2.53), получим уравнение регрессии в раскодированном виде:

мощность двигателя, получим формулу для расчета количества сажи:

Аналогично повторим порядок проведения опытов, рабочая матрица эксперимента по определению влияния выбранных факторов на количество оксида азота, результаты опытов и дисперсия опытов приведены в таблице 2.8.

Таблица 2.8 - Рабочая матрица эксперимента опыта Проверим однородность проведенного эксперимента по критерию Кохрена. Вычисляем дисперсии каждого опыта по формуле (2.44).

Определим расчетное значение критерия Кохрена:

Определяем числа степеней свободы: f 1 = m - 1 = 2, f 2 = N = 8.

Для уровня значимости q = 0,05 в таблице находим G кр = 0,680.

Так как экспериментальная величина критерия Кохрена G р меньше этого значения, то гипотеза об однородности дисперсии не отвергается.

Коэффициенты уравнения регрессии находим методом наименьших квадратов. Коэффициенты уравнения регрессии вычисляем по формулам (2.45).

Получим: b 0 = 3,34; b 1 = 0,0375; b 2 = -03425; b 3 = -0,04; b 12 = -0,045; b 13 = 0,0575; b 23 = 0,0075.

Определяем дисперсию воспроизводимости:

Находим дисперсию ошибки определения коэффициентов уравнения регрессии:

Определяем число степеней свободы: f 3 = N(m-1) = 8(2 - 1) = 8.

Выбираем уровень значимости q = 0,05.

В таблице 2.1 по заданным q и f 3 находим t кр = 2,31.

Для коэффициентов уравнения регрессии подсчитываем доверительный интервал:

незначимым. Поэтому уравнение регрессии имеет вид:

Проверим адекватность полученной модели.

Дисперсию адекватности найдем по формуле (2.46):

Найдем дисперсионное отношение критерия Фишера:

Таблица 2.9 - Расчет дисперсии адекватности Определяем числа степеней свободы:

Таблица 2.1 значение для уровня значимости q = 0,05 будет F кр = 4,5.

Так как F р < F кр (3,77 < 4,5), то полученное уравнение регрессии адекватно исследуемому процессу и имеет вид:

Наибольшее влияние на параметр оптимизации у (количество оксида азота) оказывает фактор х 2 (присадка сжиженного газа), для уменьшения параметра оптимизации необходимо увеличивать фактор х 2. Факторы х (количество топлива) и х 3 (мощность двигателя) влияют примерно одинаково, однако их характер различен: для уменьшения параметра оптимизации нужно уменьшать фактор х 1 и увеличивать фактор х 3.

Эффекты совместного влияния факторов x 1 x 2 и x 1 x 3 ярко выражены.

Коэффициенты при эффектах взаимодействия превосходят по величине взаимодействия состоит в том, что влияние одного фактора зависит от того, на каком уровне находится другой фактор. Коэффициент при x 1 x 2 имеет отрицательный знак, поэтому к уменьшению функции отклика будет вести одновременное уменьшение или увеличение факторов. Коэффициент при x 1 x имеет положительный знак, поэтому к уменьшению функции отклика ведет либо уменьшение x 1 и увеличение x 3, либо наоборот. Из сказанного следует, что к уменьшению параметра оптимизации ведет увеличение факторов x 2 и x 3 и уменьшение фактора x 1.

Проведем оптимизацию параметра градиентным методом (таблица 2.10).

Таблица 2.10 – Градиентный метод Последовательность … 3,93 кг/час, присадки газа 1 кг/час, мощность двигателя 17,4 … 17,44 кВт.

2.6.2.2 Раскодирование уравнения регрессии Раскодирование полученного уравнения (2.64) в расчетную формулу проведем по формулам (2.55).

Подставляя данные формулы в уравнение (2.43), получим уравнение регрессии в раскодированном виде:

y 9,52 1,156~1 0,239~2 0,37 ~3 0,164~1 ~2 0,077 ~1 ~3. (2.65) Обозначив ~1 Q - количества топлива, газа, ~3 N e - мощность двигателя, получим формулу для расчета оксида азота:

расходом 1,0-1,1 кг/ч.

2.6.3 Результаты испытаний на лабораторной установке двигателя Результаты испытаний представлены в таблицах (приложение Б) и на рисунках 2.10 - 2.18. Графики (рисунки 2.10 - 2.14) представляют совмещенные нагрузочные характеристики, снятые на определенном скоростном режиме при различных подачах сжиженного газа.

1 - работа на дизельном топливе G r =0; 2 - работа с присадкой сжиженного газа G r =0,544 кг/ч; 3 - работа с присадкой сжиженного газа G r =0,744 кг/ч; 4 - работа с присадкой сжиженного газа G r =0,88 кг/ч; 5 - работа с присадкой сжиженного газа G r =0,974 кг/ч.

Рисунок 2.10 – Графические зависимости влияния величины присадки 1 - работа на дизельном топливе G r =0; 2 - работа с присадкой сжиженного газа G r =0,412 кг/ч; 3 - работа с присадкой сжиженного газа G r =0,66 кг/ч; 4 - работа с присадкой сжиженного газа G r =0,90 кг/ч; 5 - работа с присадкой сжиженного газа G r = 1,24 кг/ч.

Рисунок 2.11 – Графические зависимости влияния величины присадки 1 - работа на дизельном топливе G r =0; 2 - работа с присадкой сжиженного газа G r =0,464 кг/ч; 3 - работа с присадкой сжиженного газа G r =0,724 кг/ч; 4 - работа с присадкой сжиженного газа G r =0,88 кг/ч; 5 - работа с присадкой сжиженного газа G r =l,076 кг/ч.

Рисунок 2.12 – Графические зависимости влияния величины присадки 1- работа на дизельном топливе G r =0; 2 - работа с присадкой сжиженного газа G r =0,274 кг/ч; 3 - работа с присадкой сжиженного газа G r =0,754 кг/ч; 4 - работа с присадкой сжиженного газа G r =0,910 кг/ч; 5 - работа с присадкой сжиженного газа G r = 1,030 кг/ч.

Рисунок 2.13 – Графические зависимости влияния величины присадки 1 - работа на дизельном топливе G r =0; 2 - работа с присадкой сжиженного газа G r =0,55 кг/ч; 3 - работа с присадкой сжиженного газа G r -0,774 кг/ч; 4 - работа с присадкой сжиженного газа G r =0,88 кг/ч; 5 - работа с присадкой сжиженного газа G r = l,l кг/ч.

Рисунок 2.14 – Графические зависимости влияния величины присадки сжиженного газа-обогатителя на концентрацию оксидов Рисунок 2.15 – Графические зависимости содержания сажи (Сж), температура отработавших газов (Тв.г.), часового расхода топлива (Gт) и эффективной мощности (Ne) от частоты вращения коленчатого работа на дизельном топливе.

----- работа с присадкой сжиженного газа-обогатителя G r =l,18 кг/ч.

Рисунок 2.16 – Графическая зависимость влияния величины присадки сжиженного газа-обогатителя на концентрацию оксида Рисунок 2.17 – Графическая зависимость влияния величины присадки сжиженного газа-обогатителя на концентрацию оксида Рисунок 2.18 – Графическая зависимость влияния величины присадки На рисунке 2.15 представлена скоростная характеристика двигателя ДА при работе на дизельном топливе, полученная при номинальной цикловой подаче топливного насоса q ц =55 г/цикл. На рисунке 2.14, 2.15 представлен характер изменения оксида углерода в выхлопе дизеля при его работе на дизельном топливе и обогащении воздушного заряда присадкой сжиженного газа.

Анализ результатов испытаний двигателя Д-21 А на дизельном топливе с различной по массе присадкой сжиженного газа во всасываемый в его цилиндры воздух подтверждает высокую эффективность этого способа снижения токсичности.

Анализ графических зависимостей (рисунки 2.10–2.18) показывает, что подача присадки газа особенно эффективна при нагрузках, близких к номинальным, и перегрузках двигателя.

Увеличение присадки газа к топливу повышает мощность двигателя, газ значительно снижает содержание в выхлопе сажи, снижая температуру ОГ и общую теплонапряженность двигателя, уменьшает общий расход топлива.

Увеличение присадки сжиженного газа к топливу снижает содержание оксидов азота на номинальном режиме по сравнению с работой на дизельном топливе, несколько увеличивает их содержание при нагрузках выше номинальной мощности, но не превышая их ПДК. Это объясняется более высокой максимальной температурой цикла при работе с присадкой сжиженного газа на данных режимах. Известно [112, 113], что увеличение температуры вызывает рост содержания в ОГ оксидов азота.

При работе двигателя с присадкой газа к топливу на частичных нагрузках ОГ двигателя имеют повышенное содержание оксида углерода по сравнению с работой на дизельном топливе без присадки. При номинальной нагрузке при работе с присадкой сжиженного газа на всех скоростных режимах наблюдалось уменьшение содержания оксидов азота более чем на 20 %, сажи в 3-4 раза. При дальнейшем росте нагрузки выше номинальной присадка газа к топливу оказывает также благоприятное влияние, уменьшается количество оксида углерода по сравнению с работой на дизельном топливе без присадки.

При работе дизеля с присадкой сжиженного газа на нагрузках ниже 60-70 %, наблюдается некоторое ухудшение экономичности двигателя по суммарному расходу топлива. Поэтому присадку газа к топливу по мере нагрузки, нужно увеличивать или осуществлять только при нагрузках 60-70 % от номинальной.

Из анализа данных рисунка 2.16. видно, что величина оптимальной подачи газа к топливу лежит в пределах 0,8-1,0 кг/ч. Дальнейшее увеличение ее ведет к повышению температуры ОГ, а следовательно, к увеличению образования оксидов азота.

При всех скоростных и нагрузочных режимах при подаче газа к топливу более 1,1-1,2 кг/ч наблюдалось увеличение жесткости работы двигателя, появлялась прослеживаемая детонация.

По результатам лабораторных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Обогащение воздушного заряда дизеля на впуске присадкой сжиженного газа - эффективное средство для снижения токсичности его выхлопа.

2. Оптимальной дозой жидкого газа для двигателя Д-21А следует считать 0,8-1,0 кг/ч.

3. При нагрузках двигателя ниже 60...70 % от номинальной - подачу газа целесообразно прекращать или постепенно снижать, доводя до нуля на холостом ходу.

4. При работе двигателя на скоростном номинальном и нагрузочном режимах влияние присадки обеспечивает следующее:

- содержание сажи сокращается в 4 раза;

- содержание оксидов азота снижается на 15-18 %;

- содержание оксида углерода снижается на 6,7 %;

- температура отработавших газов снижается на 11,7 %.

5. Разработанное нами газоподающее устройство позволяет изменять количество подаваемого газа в двигатель по мере увеличения нагрузки.

6. Присадка газа к топливу позволяет форсировать двигатель на 10-15 %.

газоподающей аппаратуры и экономический эффект от ее внедрения 2.7.1 Программа и методика производственной проверки С целью проверки работоспособности разработанной газоподающей аппаратуры был произведен производственный опыт, суть которого заключался в получении сравнительных результатов проверки состояния атмосферы в помещениях теплиц. В соответствии с поставленной задачей программа исследований предусматривает:

- определение степени загрязнения воздушной среды теплиц при выполнении энергоемких операций трактором с модернизированной системой питания;

окончании работ трактором с модернизированной системой питания.

Производственная проверка производилась в тепличном блоке ОАО «Тепличный комбинат» Рязанского района Рязанской области. К моменту производственной проверки в ОАО «Тепличный комбинат» было оборудовано газоподающей аппаратурой шесть тракторов Т-25А, т.е. по два трактора на один тепличный блок (рисунок 2.15–2.18).

Кроме того, в соответствии с договором ОАО «Тепличный комбинат»

приобрел и поставил на кафедру для изготовления макетного образца новый дополнительными приборами, проверен и обкатан.

модернизированной системы питания.

Рисунок 2.19 – Опытный макетный образец трактора с газоподающей Рисунок 2.20 – Общий вид крепления газобаллонного оборудования на После обкатки трактор был испытан на беговых барабанах в лаборатории кафедры «Тракторы и автомобили».

Заложенные в конструкцию идеи и результаты стендовых моторных испытаний подтвердились, и трактор с комплектом оборудования передан для дальнейшей эксплуатации в хозяйство.

Эти тракторы в процессе настройки и доводки газоподающей аппаратуры в основном использовались на транспортных операциях. Они агрегатировались с универсальными тракторными подъемниками ПУТ-0,7 и ВП-0,8. Тракторные подъемники в основном перевозят стандартные поддоны размером 1,0х 1,2 м с ящиками товарной продукции от центральной дорожки теплицы до зала реализации. Затем они осуществляют погрузку взвешенной продукции для отправки к потребителю.

Машинно-тракторный агрегат, в состав которого входят трактор Т-25 А и копатель роторный КР-1,5, представлен на рисунке 2.21, а трактор Т-25 А и универсальный тракторный подъемник ПУТ-0,7 представлен на рисунке 2.22.

1 - трактор Т-25 А; 2 - копатель роторный КР-1,5; 3 - баллон газовый;

4 - понижающий газовый редуктор; 5 - газопровод Рисунок 2.21 – Общий вид МТА (Т-25 А + КР-1,5) с газоподающей аппаратурой 1 - трактор Т-25А; 2 - универсальный тракторный подъемник ПУТ-0,7;

3 - баллон газовый Рисунок 2.22 – Общий вид МТА (Т-25А + ПУТ-0,7) Чтобы обеспечить повышенную загрузку тракторного двигателя, при которой максимальная токсичность его выхлопа, трактор во время производственной проверки выполнял основную обработку тепличных грунтов роторным копателем КР-1,5.

2.7.2 Результаты производственной проверки эффективности работы трактора с газоподающей аппаратурой при выполнении энергоемких операций по основной обработке тепличного грунта В ходе производственной проверки трактор выполнял основную энергоемкую операцию по обработке тепличного грунта, результаты которой представлены в приложении Г, в рисунке 2.23 и таблице 2.11.

Рисунок 2.23 – Динамика нарастания ТВ при выполнении операции по основной обработке почвы в теплице МТА (Т-25А+КР-1,5) без вентиляции с газоподающей аппаратурой Таблица 2.11 – Результаты замеров содержания основных ТВ ОГ в воздушной среде помещения теплицы с модернизированной топливной Анализ данных, представленных в рисунке 2.23 и таблице 2. показывает, что концентрация ТВ в воздушной среде теплицы после трех часов непрерывного выполнения операции по обработке тепличного грунта МТА (трактор Т-25А + роторный копатель КР-1,5) при отключенной естественной вентиляции хотя и превышает предельно допустимые концентрации, но значительно уменьшилась. При этом концентрация токсичных веществ в атмосфере теплицы уменьшилась по оксидам азота на 31%, оксиду углерода на 40% и сумме углеводородов на 39%.

Таким образом, предложенный и реализованный способ снижения токсичности обогащения воздушного заряда на впуске присадкой сжиженного газа позволяет значительно понизить токсичность выхлопа дизеля Д-21А.

Выводы по главе 1. Установлено, что в тепличном блоке площадью 1 га ОАО «Тепличный комбинат» в зимнее время без вентиляции при работе машиннотракторного агрегата состоящего из трактора Т-25А и копателя роторного КРпри основной обработке тепличного грунта за три часа работы концентрация ТВ превышает ПДК по оксидам азота в 10 раз, по оксиду углерода в 2,8 раза, по сумме углеводородов в 11,9 раза, что затрудняет работу персонала и использование мобильных тракторных агрегатов внутри теплиц.

При полностью открытых фрамугах, т.е. при максимальной естественной вентиляции, концентрация основных токсичных компонентов, наработанных в течение трех часов, достигнет предельно допустимых значений по оксиду углерода через 2,5 часа, по сумме углеводородов и оксиду азота через 6 часов, что вызывает необходимость сочетать интенсивную вентиляцию помещений с одновременным снижением токсичности ОГ дизеля.

Теоретически установлено, что концентрация ТВ в зоне загрязнения зависит от их начального количества и степени разбавления ВВ выхлопа поступающим с вентиляцией воздухом, количество которого регулируется кратностью воздухообмена.

Теоретически доказано, что присадка сжиженного газа к основному топливу способна улучшить процесс сгорания основного топлива за счет улучшения смесеобразования, что обеспечивает более низкую температуру цикла, а, следовательно, меньшее образование ТВ в ОГ.

Система для подачи двух видов топлива должна включать в себя штатную топливоподающую аппаратуру и газоподающую аппаратуру, содержащую баллон для сжиженного газа, газовую арматуру и газовый корректор, который обеспечивает требуемую подачу газа при определенных режимах работы дизеля за счет дифференциальной связи с всережимным регулятором топливного насоса высокого давления.

Лабораторными исследованиями установлено, что подачу газа в топливо следует начинать при нагрузках двигателя 60.„70 % от номинальной.

Оптимальной величиной присадки сжиженного газа для двигателя Д-21А следует считать 1,0-1,1 кг/ч, что при номинальной мощности соответствует 20от суммарного расхода топлива.

При работе двигателя на номинальном скоростном и нагрузочном режиме влияние присадки газа в топливо обеспечивает:

- снижение содержания сажи в 3- 4 раза;

- снижение содержания оксидов азота на 15-18%, а оксида углерода на 6,7%;

- снижение температуры отработавших газов на 11,7%.

8. Производственная проверка показала, что предложенный способ и разработанная газоподающая аппаратура обеспечивает снижение концентрации вредных веществ по сравнению со штатной топливной аппаратурой по оксидам азота на 31%, по оксиду углерода на 40%, по сумме углеводородов на 39% при основной обработке тепличного грунта без вентиляции в зимнее время.

ГЛАВА 3. Влияние рабочего процесса пароозонирующего устройства дизельного двигателя внутреннего сгорания пароозонирующего устройства облученной паровоздушной смеси во впускной коллектор дизельного двигателя Согласно рисунка 1.4 одним из способов снижения токсичности, является подача облученной паровоздушной смеси во впускной коллектор дизельного двигателя.

ультрафиолетовым излучением перед ДВС [213] и системы питания дизельного двигателя двумя видами топлива [214] (патент РФ на полезную модель № 47448), разработана система подачи облученной паро-воздушной смеси во впускной коллектор дизельного двигателя [215] (патент РФ на полезную модель № 51120), принципиальная схема которой представлена на рисунке 3.1.

Система работает следующим образом. При работе дизельного двигателя 6 на штатной системе питания дизельное топливо из топливного насоса 12 под давлением поступает по топливопроводу 14 в форсунку 15 и впрыскивается в цилиндр (на чертеже не показан) дизельного двигателя 6. Воздушная смесь, необходимая для воспламенения этого топлива поступает в цилиндр дизельного двигателя 6 через воздухоочиститель (на чертеже не показан), в приемный ультрафиолетовым излучением 4 и впускной коллектор 5. При замыкании переключателем 8 электрической цепи, оснащенной источником электрического питания 7, в работу вступает корректор-включатель 10, включенное состояние которого контролируется сигнальной лампы 9. При снижении скоростного режима дизельного двигателя 6 из-за роста нагрузки срабатывает центробежный регулятор 11 топливного насоса 12, вследствие чего электромагнитного парового клапана 3 и излучателя В. Водяной пар из парогенератора 1 по паропроводу 2 через открывшийся электромагнитный паровой клапан 3 поступает в приемный патрубок А устройства для обработки паро-воздушной смеси ультрафиолетовым излучением 4. Смешиваясь с поступающим от излучателя В устройства для обработки паро-воздушной смеси 4.

7-источник электрического питания; 8-включатель; 9-сигнальная лампа;

10-корректор-выключатель; 11-центробежный регулятор топливного насоса;

высокого давления; 15-форсунка; А-приемный патрубок; В-излучатель Рисунок 3.1 – Система подачи облученной паровоздушной смеси во впускной Далее облученная паро-воздушная смесь по впускному коллектору 5 поступает в цилиндр дизельного двигателя 6. При воздействии ультрафиолетовым излучением на паро-воздушную смесь, происходит активирование молекул кислорода смеси. Это приводит к увеличению полноты сгорания смеси, приготовленной в цилиндре дизельного двигателя, при более ровной волне горения. В связи, с чем снижается токсичность ОГ дизельного ДВС.

паровоздушной смеси во впускной коллектор дизельного двигателя при нагрузках близких к номинальным. Она проста по устройству, ею легко оборудовать дизельный двигатель. В случае неисправности электрической схемы подачи облученной паровоздушной смеси во впускной коллектор дизельный двигатель может продолжать работу на штатной системе питания.

3.1.2 Обоснование основных геометрических параметров устройства для обработки паровоздушной смеси ультрафиолетовым излучением Основными составляющими устройства для обработки паровоздушной смеси ультрафиолетовым излучением являются излучатель, шиберная заслонка, отводной патрубок картерных газов, приемный патрубок и эжектирующее устройство (жиклер подачи водяного пара и диффузор).

Размеры излучателя должны быть как можно меньше, но не должна пренебрегать показателями безопасности. Применение шиберной заслонки обоснованно её простотой и компактности. Отводной патрубок картерных газов принимается таких же размеров, как и стандартный. Приемный патрубок сопоставляется с размерами эжектирующего устройства и определяется расчетом. Заметим, что при расчетах не учитывается количество воздуха, поступающего через продувочный канал в излучатель.

Форму эжектирующего устройства характеризует ряд показателей, таких как коэффициент геометрических сопел (m), степень расширения диффузора ( ), конусность условной камеры смешения ( l ), коэффициент эжекции ( u ).

Коэффициент геометрической площади сопел имеет вид:

где F 1 – площадь сечения активного сопла, м2;

F 3 – площадь входного сечения диффузора, м2.

Степень расширения диффузора определяется по формуле:

где F 4 – площадь выходного сечения диффузора, м2.

Конусность условной камеры смешения определяется как:

где D 1 – диаметр активного сопла, м;

D 3 – диаметр входного сечения диффузора, м;

L – вынос рабочего сопла относительно входного сечения диффузора, м.

Коэффициент эжекции характеризуется формулой:

где G 1 – количество рабочего газа, кг/ч;

G 2 – количество эжектируемого газа, кг/ч.

Напор, создаваемый эжектирующим устройством без диффузора h х, равен:

где h 1 – сопротивление всасывающей сети, Па;

h 3 – давление, создаваемое эжектирующим устройством в сечении

В О З ДУХ

С М Е С Ь П А Р О -В О З Д У Ш Н А Я

П АР В О ДЯ Н О Й

1 – сопло жиклера подачи водяного пара (активное); 2 – паро-воздушное сопло (пассивное); 3 – входное сечение диффузора; 4 – струя водяного пара;

5 – диффузор; F 2 – площадь кольцевого сечения пассивного сопла;

D 1 – диаметр активного сопла; D 3 – диаметр входного сечения диффузора;

D 4 – диаметр выходного сечения диффузора; L – вынос рабочего (активного) сопла относительно входного сечения диффузора (заштрихована область условной камеры смешения); l 1 – расстояние до места соприкосновения струи со стенками диффузора; l 2 – длина диффузора; - угол раскрытия диффузора;

- угол схождения камеры смешения; Р 1п, Т 1п, v 1п – начальное давление, температура и скорость водяного пара; Р 1в, Т 1в, v 1в – начальное давление, температура и скорость воздуха; Р 2см, Т 2см, v 2см – давление, температура и скорость паро-воздушной смеси Рисунок 3.2 – Схема эжектирующего устройства и условные обозначения соприкосновения со стенкой диффузора 23:

при этом динамическое давление эжектирующей струи составит:

v 1в – скорость эжектируемого воздуха, м/с;

Давление эжектирующего газа перед соплом устройства составит:

Скорость истечения паровоздушной смеси из сопла:

где 1 – плотность рабочего газа (водяного пара), кг/м Площадь и диаметр выходного сечения сопла:

где G 1 – количество рабочего газа (водяного пара), кг/ч.

Площадь и диаметр начального сечения диффузора:

Выражение для определения скорости газа в сечении 3 (рисунок 3.2) имеет вид:

где 3 – плотность паро-воздушной смеси, кг/м3;

G 2 – количество эжектируемого воздуха, кг/ч;

G см – количество паро-воздушной смеси, кг/ч.

По рекомендациям 23 угол раскрытия диффузора лучше выбирать 6-8.

Если известен угол раскрытия диффузора и отношение =F 4 /F 3, то коэффициент восстановления давления х определим по таблице 23.

Давление за диффузором будет равно:

Площадь и диаметр конечного сечения диффузора:

Скорость движения паро-воздушной смеси за диффузором:

Расстояние от сопла до места соприкосновения расширяющейся эжектирующей струи со стенками диффузора определим по уравнению 23:

Расстояние от сопла до входа в диффузор (вынос рабочего сопла) принимаем на 0,5 D 3 меньше l 1 23:

Длина диффузора равна:

где - угол раскрытия диффузора.

На основании теоретического анализа с учетом динамики состояния вентилируемой атмосферы помещения можно по приведенным выражениям производить расчет эжектирующих устройств для подачи пароозонированного газа.

3.2 Лабораторные и производственные исследования способа подачи облученной паровоздушной смеси во впускной коллектор для снижения токсичности отработавших газов дизельного двигателя 3.2.1 Экспериментальная установка для лабораторных исследований двигателя Д- Лабораторные исследования двигателя Д-243 проводились на базе «Рязсельхозтехника». Схема экспериментальной установки представлена на рисунке 3.3.

четырехцилиндровый дизельный двигатель жидкостного охлаждения Д- Минского тракторного завода, устанавливаемый на мобильных энергетических средствах, нашедших широкое применение в сельскохозяйственном производстве.

В качестве загрузочного устройства при испытаниях дизельного двигателя 6 применялся универсальный электрический тормозной стенд КИА (рисунок 3.4). Он состоит из балансирной машины постоянного тока с весовым механизмом 20, пультом управления 22, вспомогательным оборудованием, реостатами 25, силовыми шкафами преобразователя напряжения 23.

Электрическая балансирная машина работает как в двигательном, так и в тормозном режимах. Двигательный режим служит для прокрутки двигателя и определения в нем потерь трения. В тормозном и генераторном режиме балансирная машина принимает энергию двигателя, и отдает ее в трехфазную сеть или на нагрузочное соединение. Соединение двигателя с машиной осуществляется карданной передачей. Тормозной стенд КИ-2118А позволяет замерять мощность до 160 кВт в интервале 600…3000 мин-1 при рабочем напряжении 400 В.

1 – емкость расходная; 2 – блок приборов для контроля технического состояния двигателя; 3 – бак топливный; 4 – топливопровод; 5 – насос топливный высокого давления; 6 – двигатель дизельный; 7 – кран паровой; 8 – устройство для обработки паро-воздушной смеси ультрафиолетовым излучением;

9 – заслонка воздушная; 10 – баропровод; 11 – расходомер U-образный;

12 – заслонка шиберная; 13 – мультиметр; 14 – паропровод; 15 – блок питания лампы ультрафиолетового излучения; 16 – парогенератор; 17 – пробозаборник отработавших газов; 18 – динамометр; 19 – приборы для контроля состава отработавших газов; 20 – двигатель электрический тормозной машины; 21 – вал преобразователя напряжения; 24 – электропровод; 25 – реостат жидкостной;

26 – навеска контрольная; 27 – весы; 28 – кран трехходовой Рисунок 3.3 – Схема экспериментальной установки 1 - блок приборов для контроля технического состояния двигателя; 2 - пульт управления стендом; 3 - реостат жидкостной; 4 - электродвигатель тормозной машины; 5 - динамометр; 6 - шкаф силовой преобразователя напряжения;

7 - вал карданный; 8 - газоотвод; 9 - двигатель дизельный Д- Рисунок 3.4 – Вид общий универсального электрического тормозного стенда Во время испытаний системы смазки и охлаждения двигателя были подключены к автономным централизованным системам, идентичным по своему устройству, имеющимся в наличии предприятия.

Подача облученной паро-воздушной смеси во впускной коллектор дизельного двигателя осуществлялась с помощью специальной системы, представленной на рисунке 3.5.

1 - паропровод; 2 - кран паровой; 3 - электропровод; 4 - блок питания лампы ультрафиолетового излучения; 5 - устройство для обработки паровоздушной предохранительным клапаном; 8 - лампа паяльная; 9 - патрубок подачи облученной паровоздушной смеси Рисунок 3.5 – Вид общий системы подачи облученной паровоздушной смеси во впускной коллектор дизельного ДВС Обработка паровоздушной смеси ультрафиолетовым излучением осуществлялась в устройстве, изображенном на рисунке 3.6.

1 - заслонка воздушная; 2 - патрубок приемный; 3 - кольцо крепежное;

4 - жиклер подачи водяного пара; 5 - диффузор; 6 - электропровод; 7 - блок питания лампы ультрафиолетового излучения; 8 - лампа ультрафиолетового излучения; 9 - заглушка излучателя с патроном лампы ультрафиолетового излучения; 10 - заглушка технологическая отводного патрубка картерных газов;

11 - заглушка технологическая термоприемника; 12 - заслонка шиберная;

13 - корпус излучателя; 14 - канал продувочный Рисунок 3.6 – Вид общий устройства для обработки паро-воздушной смеси Расход облученной паровоздушной смеси и ее компонентов замерялся устройством, представленным на рисунке 3.7.

1 - расходомер U-образный; 2 - баропровод; 3 - бароприемник Рисунок 3.7 – Вид общий устройства для замера расхода облученной Измерение температуры облученной паровоздушной смеси и ее компонентов осуществлялось с помощью устройства, изображенного на рисунке 3.8.

1 - мультиметр (М - 838); 2 - электропровод; 3 - термоприемник с термопарой Рисунок 3.8 – Вид общий устройства для замера температуры облученной Отбор и анализ ОГ дизельного двигателя производился газоанализатором «ГАЗТЕСТ-АВЕСТА» и дымомером «ИНФРАКАР-Д».

3.2.2 Программа испытаний предусматривалось:

1) проведение тормозных испытаний дизельного двигателя Д-243 и характеристик;

2) разработка комплекта аппаратуры подачи облученной паровоздушной смеси во впускной коллектор и проведение тормозных испытаний дизельного двигателя с ней.

В первой части программы испытаний предусматривалось следующее:

1. Испытание дизельного двигателя на пяти скоростных режимах: мин-1; 1000 мин-1; 1400 мин-1; 1800 мин-1; 2200 мин-1.

выбранный предел регулировки оставался постоянным. Характеристики снимались при переменном расходе дизельного топлива.

3. Первая характеристика каждой серии снималась на дизельном топливе.

стабильности получаемых результатов двигатель работал с отключенным всережимным регулятором. Для получения возможности в широком диапазоне менять скоростной и нагрузочные режимы дизельного двигателя в его всережимном регуляторе были удалены ограничители подачи топлива и настройки регулятора. Изменение подачи дизельного топлива при снятии нагрузочной характеристики осуществлялось за счет изменения настройки регулятора, доведенного до нужного скоростного режима тормозной машиной.

3.2.3 Методика экспериментальных исследований, определение токсичности отработавших газов дизельного двигателя Д-243 при подаче облученной паровоздушной смеси во впускной коллектор Влияние подачи облученной паровоздушной смеси во впускной коллектор дизельного двигателя на токсичность и дымность ОГ и рабочие показатели МЭС, стендовые испытания проводили в два этапа. В основу методики исследования положен сравнительный метод.

двигателя, оптимальных регулировок, с целью получения наилучших эффективных показателей и определения токсичности и дымности ОГ дизеля.

Втором этап исследований предусматривал получение данных по влиянию подачи облученной паровоздушной смеси во впускной коллектор оптимальных регулировок и изменение эффективных показателей на различных скоростных и нагрузочных режимах.

Структурная схема проведения стендовых исследований дизельного двигателя Д-243 показана на рисунке 3.9.

При проведении стендовых исследований, монтаже оборудования, приборов, отборе проб ОГ и их анализе учитывались требования ГОСТа 2004Дизели тракторные и комбайновые. Виды и программы стендовых испытаний», ГОСТа 18509-80 «Дизели тракторные и комбайновые. Методы стендовых испытаний», ОСТа 23.1.440-76 «Дизели тракторные и комбайновые.

Выбросы вредных веществ с отработавшими газами», ОСТа 23.1.441- «Дизели тракторные и комбайновые. Дымность отработавших газов» 81, 82, 83, 85, 179, 187, 188, 204, 205.

Перед началом лабораторных испытаний новый двигатель прошел обкатку продолжительностью 60 часов на режимах, согласно технической документации завода-изготовителя.

Рисунок 3.9 – Структурная схема экспериментальных исследований температуры масла в поддоне в пределах 85…95°С. Техническое обслуживание производилось в соответствии с технической документации заводаизготовителя.

Эффективная мощность двигателя, часовой и удельный расходы топлива на различных режимах приводились к стандартным атмосферным условиям, согласно ГОСТу 18509-80 83, 85.

После прогрева двигатель выводился на номинальный скоростной режим контрольными. После окончания испытаний дизельный двигатель вновь выводился на контрольный режим, и показатели проверялись.

Для стабилизации температуры дизельный двигатель перед началом измерений работал на каждом режиме не менее 15 минут. Частота вращения коленчатого вала двигателя не отличалась от заданной более чем на 5-10 мин-1.

Для уменьшения погрешностей измерений замер показателей при испытаниях двигателя в каждом опыте повторялся не менее трех раз, а результат усреднялся.

Ожидаемым эффектом применения на дизельном двигателе Д-243 подачи облученной паро-воздушной смеси во впускной коллектор является изменение его мощностных, экономических, динамических и токсичных показателей.

Параметры дизельного двигателя определялись в соответствии с ГОСТ 18509-80 83, 85.

3.2.4. Методика проведения многофакторного эксперимента Для определения совокупного влияния количества подачи водяного пара и мощности потока ультрафиолетового излучения на концентрацию токсичных компонентов ОГ дизельного двигателя был проведен ряд экспериментов.

аналогично разделу 2.4.2 данной диссертации и представлены в приложении Б.

3.3.1. Результаты исследований влияния количества подаваемого водяного пара и мощности потока ультрафиолетового излучения на эффективные показатели работы дизельного двигателя Для определения влияния количества подачи водяного пара и мощности потока ультрафиолетового излучения был проведен ряд опытов, по результатам которых построены графические зависимости, представленные на рисунках 3.10 и 3.11 (результаты опытов приведены в приложении Б данной диссертационной работы).

Nе, ge, Тог, % Рисунок 3.10 – Графические зависимости эффективных показателей двигателя Из представленных графических зависимостей (рисунок 3.10) видно, что с увеличением количества подачи водяного пара от 0,000 м3/ч до 6,612 м3/ч снижается эффективная мощность и температура ОГ, но повышается удельный коленчатого вала дизельного двигателя (n ном = 2200 мин-1) эффективная мощность снижается с 54,91 кВт до 44,26 кВт, уменьшаясь на 19,40%, при возрастающем удельном расходе топлива с 255,0 г/кВт·ч до 283,9 г/кВт·ч, увеличивающемся на 11,33%. Температура ОГ снижается с 670°С до 514°С, уменьшаясь на 23,28%. Это объясняется тем, что на перегрев паров воды требуется больше энергии.

Проанализировав графические зависимости (рисунок 3.11) можно сделать вывод о том, что с увеличение мощности потока ультрафиолетового излучения от 0 до 1,5 кВт происходит увеличение мощности двигателя и температуры ОГ при одновременном снижении удельного расхода топлива.

Ne, ge, Тог, % При номинальной частоте коленчатого вала двигателя его эффективная мощность возрастает с 54,91 кВт до 62,05 кВт, увеличиваясь на 13%, при снижающемся удельном расходе топлива с 255,0 г/кВт·ч до 236,6 г/кВт·ч, уменьшаясь на 7,22%. Однако наблюдается рост температуры ОГ с 670°С до 745°С, увеличиваясь на 11,19%. Рост эффективной мощности двигателя связан с увеличением дозы потока ультрафиолетового излучения. При облучении происходит активирование молекул кислорода и его аллотропических видоизменений, что в свою очередь, положительно сказывается на увеличении полноты сгорания смеси, приготовленной в цилиндре дизельного двигателя, при более ровной волне горения. Поэтому при работе двигателя наблюдается некоторое снижение расхода топлива и увеличение температуры ОГ.

Из анализа графических зависимостей (рисунок 3.10 и 3.11) можно сделать вывод о том, что количество водяного пара и мощность потока ультрафиолетового излучения, как основные составляющие облученной паровоздушной смеси, по разному действуют на показатели работы двигателя. В совокупности они оказывают благоприятное влияние на эффективные показатели дизельного двигателя в целом.

3.3.2. Результаты исследования влияния количества подаваемого водяного пара и мощности потока ультрафиолетового излучения на дизельного двигателя Для определения влияния количества подачи водяного пара и мощности потока ультрафиолетового излучения дизельного двигателя на концентрацию токсичных компонентов отработавших газов дизельного двигателя был проведен ряд опытов, результаты опытов приведены в приложении (В1, В2, В3, В4, В5) данной диссертационной работы, а так же на рисунках 3.11 и 3. Графические зависимости (рисунок3.10) показывает, что с увеличением количества подачи водяного пара от 0 до 6,612 м3/ч процесс образования существенно. Концентрация оксидов углерода и азота склонна к тенденции уменьшения, в то время как у углеводородов и сажи идут процессы интенсивного образования. Так, например, при номинальной частоте вращения коленчатого вала дизельного двигателя (n ном = 2200 мин-1) концентрация оксида углерода снижается с 1,27 до 1,01 мг/л, уменьшаясь на 20,47%, однако увеличиваясь на 1,65%. Концентрация оксида азота, как и оксида углерода снижается, но только с 3,72 до 2,16 мг/л, уменьшаясь на 41,94%, при возрастающей концентрации сажи с 0,900 до 0,952 мг/л, увеличивающейся на 5,78%.

Концентрация i - го компонента, % образования токсичных веществ в цилиндре дизельного двигателя при подаче облученной паровоздушной смеси во впускной коллектор. Образование оксида углерода сдерживается более низкими температурами, при которых двуокись углерода не склонна к диссоциации. Для углеводородов, напротив, зона гашения является одним из источников выделения, так как увеличивается период задержки воспламенения. Вблизи сравнительно холодных стенок камеры сгорания происходит гашение пламени. Это приводит к замедлению или исключению реакций горения в части смеси, находящейся в зоне гашения.

В непосредственной близости от стенок камеры сгорания концентрация углеводородов резко возрастает. Увеличение количества подачи водяного пара приводит к понижению максимальной температуры цикла и, следовательно, к снижению концентрации оксида азота. При этом, вследствие снижения движения газов и диффузии кислорода, создаются благоприятные условия для выделения сажи. Интенсивное образование сажи, как и углеводородов, происходит в непосредственной близи от стенок камеры сгорания.

Для более полного понимания процесса образования токсичных веществ проанализируем и графические зависимости, представленные на рисунке 3.11.

Также как и увеличение количества подачи водяного пара, изменение мощности потока ультрафиолетового излучения от 0,0 до 1,5 кВт разнообразно действует на концентрацию токсичных компонентов ОГ. Однако для токсичных веществ, которые при увеличении количества подачи водяного пара стремились к своему концентрационному минимуму, характерна тенденция роста. Так, например, при номинальной частоте вращения коленчатого вала дизельного двигателя концентрация оксида углерода возрастает с 1,27 до 1, мг/л, увеличиваясь на 13,39%, а концентрация углеводородов снижается с 0,03100 до 0,02975 мг/л, уменьшаясь на 4,03%. Концентрация оксида азота стремительно возрастает с 3,72 мг/л до 4,65 мг/л, увеличиваясь на 25%, а концентрация сажи также стремительно снижается с 0,900 до 0,092 мг/л, уменьшаясь на 89,78%.

Концентрация i - го компонента, % компонентов ОГ служат физико-химические основы их образования в цилиндре дизельного двигателя при подаче облученной паро-воздушной смеси во впускной коллектор. Увеличивающаяся мощность потока ультрафиолетового излучения способствует активированию молекул кислорода, а, следовательно, повышению максимальной температуры цикла. При этом увеличивается образование оксида углерода вследствие диссоциации двуоксида углерода, углеводородов характеризуется процессом расширения с неограниченным доступом кислорода и его аллотропических видоизменений. Рост образования оксида азота в цилиндре дизельного двигателя носит термический характер и не связан непосредственно с реакциями окисления топлива. Оксиды азота образуются при соединении азота и избыточного кислорода в продуктах сгорания. Увеличение мощности потока ультрафиолетового излучения положительно сказывается на сажевыделении. В процессе расширения газов в цилиндре дизельного двигателя к частицам агломерата кристаллов сажи поступает кислород и его аллотропическое видоизменение – озон (вследствие движения газов и диффузии кислорода), то есть создают благоприятные условия для выгорания сажи.

Из анализа графических зависимостей (рисунок 3.10 - 3.13) можно сделать вывод о том, что количество подачи водяного пара и мощность потока ультрафиолетового излучения, как основные составляющие облученной паровоздушной смеси, по-разному действуют на концентрации токсичных компонентов ОГ дизельного двигателя. Снижение концентрации токсичных веществ в одном случае, и увеличение – в другом зависит от физикохимических основ их образования. Можно предположить, что в совокупности эти составляющие благоприятно влияют на снижение токсичности ОГ дизельного двигателя в целом.

3.3.3 Результаты стендовых испытания дизельного двигателя Д-243 с системой высокоточной подачи облученной паро-воздушной смеси во впускной коллектор Целью стендовых испытаний дизельного двигателя Д-243 и его системы высокоточной подачи облученной паро-воздушной смеси во впускной коллектор является:

1) разработка схемы и комплекта аппаратуры, позволяющих организовать процесс подачи облученной паро-воздушной смеси во впускной коллектор;

2) настройка и регулировка разработанной аппаратуры на необходимую и своевременную подачу облученной паро-воздушной смеси во впускной коллектор дизельного двигателя;

3) произвести экспериментальную проверку величины ожидаемого эффекта снижения токсичности и дымности ОГ дизельного двигателя.

Подача облученной паро-воздушной смеси во впускной коллектор дизельного двигателя Д-243 необходима только в тех случаях, когда ее нагрузка приближается к номинальной. При более низких нагрузках двигателя подача облученной паро-воздушной смеси нецелесообразна, так как оказываются существенные негативные воздействия на эффективные (мощностные, экономические) и экологические показатели дизельного двигателя.

В результате теоретических и практических исследований, на основе устройства для обработки паро-воздушной смеси ультрафиолетовым излучением перед двигателем внутреннего сгорания [213], и системы питания дизельного двигателя двумя видами топлива [214] была разработана система высокоточной подачи облученной паро-воздушной смеси во впускной коллектор дизельного двигателя [215]. Принципиальная схема представлена на рисунке 3.14.

Система работает следующим образом. При работе дизельного двигателя 1, дизельное топливо из топливного насоса жидкого топлива 2 под давлением поступает по топливопроводу 3 в форсунку 4 и далее впрыскивается в цилиндр (на чертеже не показан) дизельного двигателя 1. Воздушная смесь, для воспламенения этого топлива, поступает в цилиндр дизельного двигателя через воздухоочиститель (на чертеже не показан), приемный патрубок А устройства для обработки паро-воздушной смеси ультрафиолетовым излучением 5 и впускной коллектор 7.

электрического питания 8, выключателем 9 в работу вступает корректорвключатель 10, включенное состояние которого контролируется горением сигнальной лампы 11. Из-за роста нагрузки снижается скоростной режим дизельного двигателя 1, срабатывает центробежный регулятор 12 топливного насоса, вследствие чего корректор-включатель 10 автоматически замыкает электрическую цепь электромагнитного парового клапана 13, излучателя В устройства для обработки паро-воздушной смеси ультрафиолетовым излучением 5 и электронного блока - управления 14.

1-двигатель; 2-насос жидкого топлива; 3-топливопровод; 4-форсунка;

5-ультрафиолетовое излучение; 6-электромагнитный паровой инжектор;

7-впускной коллектор; 8-источник электрического питания; 9-выключатель;

10-корректор-включатель; 11-сигнальная лампа; 12-центробежный регулятор;

13-электромагнитный паровой клапан; 14-электронный блок управления;

15-парогенератор; 16-паропровод; 17-коленчатый вал; 18-магнитный диск;

19-катушка индуктивности; 20-электропровод Рисунок 3.14 – Система подачи облученной паро-воздушной смеси во впускной Водяной пар из парогенератора 15 по паропроводу 16 через открывшийся электромагнитный паровой клапан 13 поступает в электромагнитный паровой инжектор 6. В этот момент времени, при вращении коленчатого вала 17 с магнитным диском 18 дизельного двигателя 1, в катушке индуктивности наводится импульсная электродвижущая сила, частота и амплитуда которой пропорциональны угловой скорости магнитного диска 18, а следовательно, коленчатого вала 17 дизельного двигателя 1. Частота импульсной электродвижущей силы зависит от числа зубьев магнитного диска 18.