Многофакторное прогнозирование экологических характеристик дизеля на основе вычислительных методов

Актуальность проблемы
Работа дизелей транспортного сельскохозяйственного назначения оценивается комплексом эксплуатационно-технических показателей. В настоящее время важнейшими из них являются показатели токсичности отработавших газов (ОГ). Это обусловлено как ухудшением экологической обстановки, так и ужесточением требований, предъявляемых к двигателям внутреннего сгорания современными нормативными документами на токсичность ОГ.
Стандарты Евросоюза по токсичности ОГ г/км

Научная новизна
Научная новизна заключается в формировании модели многофакторного прогнозирования экологических характеристик дизеля, на основе экспериментальных данных верифицирована математическая модель расчета РП дизеля, учитывающая его конструктивные особенности (форма КС, ориентацию каждой ТС, вихревое число и т.д.) и регулировочные параметры (характеристики топливоподачи, настройки ТПА и т.д.);
- экспериментально установлено влияние характеристик топливоподачи при различных настройках параметров ТПА (угла впрыска топлива (УВТ) φ, количества топлива) на экономичность и выбросы NOx, СН и СО с ОГ дизеля и дана их количественная оценка.

Анализ состояния вопроса
Монооксид углерода (CO)
Диоксид углерода (CO2)
Оксиды азота (NOx)
Несгоревшие углеводороды (CH)
Дисперсные (твердые) частицы (РМ)
Двуокись серы (SO2)
Состав отработавших газов

МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ И
ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
ПАРАМЕТРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ЭФФЕКТИВНЫЕ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
степень сжатия;
- форма камеры сгорания;
- интенсивность движения воздушного заряда;

- число, ориентация сопловых отверстий и конструктивные особенности распылителя форсунки;
- характеристика топливоподачи (количество стадий, количество топлива в каждой стадии, угловой интервал между порциями и угол начала подачи топлива);
Влияние конструкции распылителя на выбросы
Исследуемые характеристики топливоподачи и значения эмиссии NOx в ОГ

- максимальное давление подачи топлива;
- газодинамические характеристики впускных и выпускных каналов головки блока цилиндров;
- система рециркуляции отработавших газов;
- зазор «головка поршня – цилиндр» и расположение поршневых колец на поршне.

В устройствах каталитической нейтрализации используются окислительно-восстановительные реакции для химического доокисления или восстановления продуктов неполного окисления
топлива при протекании их через активную зону нейтрализатора.
КОНСТРУКТИВНЫЕ СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ
ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
КАТАЛИТИЧЕСКИЕ НЕЙТРАЛИЗАТОРЫ

Сажевые фильтры
Представляет собой керамический блок из карбида кремния с большим количеством тонких каналов для прохода отработанных газов. Частицы сажи, задерживаясь на поверхности этих каналов, под действием повышенной температуры и других факторов окисляются и превращаясь в углекислый газ выбрасываются в атмосферу с выхлопными газами.

Использование мочевины
Жидкостная система нейтрализации вредных выбросов в ОГ, или SCR-нейтрализатор, представляет собой закрытую систему, через которую проходит очищенный от сажи выхлоп дизеля.

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И ПРОГРАММНЫЕ КОМПЛЕКСЫ
МОДЕЛИРОВАНИЯ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ДИЗЕЛЯ
В настоящее время в виду сокращения времени на модернизацию и создание новых образцов двигателей, широкое распространение получило математическое и компьютерное моделирование ДВС. Наибольшей популярностью пользуются программы: KIVA; STAR-CD; FIRE (AVL); VECTIS.

Програмный комплекс ДИЗЕЛЬ РК разрабатывается уже в течение более чем 20 лет, и за это время он прошел проверку применительно к двигателям различной размерности, быстроходности и применения. Математические модели постоянно развиваются, расширяя круг решаемых с помощью комплекса задач. Результаты расчета постоянно сопоставляются с экспериментальными данными разных авторов (в основном, с данными заводов - изготовителей двигателей).
ПРОГРАМНЫЙ КОМПЛЕКС ДИЗЕЛЬ РК

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
1. Создание испытательного стенда с дизелем Д-240 ММЗ.
2. Разработка методик и проведение экспериментальных исследований на двигателях KM-170FA и Д-240 ММЗ.
3. Математическая обработка полученных экспериментальных данных.
4. Математическое моделирование внутрицилиндровых процессов и процессов образования токсичных компонентов с помощью программного комплекса «Дизель-РК» МГТУ им. Н.Е. Баумана.
5. Анализ согласованности полученных экспериментальных и расчетных данных.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТЕНДЫ ДЛЯ
ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ДИЗЕЛЕЙ.
Автоматизированный лабораторный стенд для изучения рабочих про­цессов дизельных двигателей внутреннего сгорания РПДД-ГНм с двигателем KM 170FA

РАСПОЛОЖЕНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
ДВИГАТЕЛЯ И ДАТЧИКОВ

ЛАБОРАТОРНЫЙ СТЕНД С ДВИГАТЕЛЕМ Д-240 ММЗ
Принципиальная схема испытательного стенда

РАЗРАБОТКА МЕТОДИК И ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ НА ДВИГАТЕЛЯХ KM-170FA И Д-240 ММЗ.
План эксперимента для двигателя KM-170FA

РАЗРАБОТКА МЕТОДИК И ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ НА ДВИГАТЕЛЯХ KM-170FA И Д-240 ММЗ.
План эксперимента для двигателя Д-240 ММЗ.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ПОЛУЧЕННЫХ ДАННЫХ
Массивы данных, полученные в ходе экспериментальных исследований, представлены в таблицах, графиках и гистограммах. Процесс обработки экспериментальных данных осуществлялся на основе известных методов математической статистики. Для анализируемых параметров определяли следующие статистические показатели

На первом этапе исследований после получения замеров концентрации химических компонентов в ОГ выполнялся корреляционный анализ данных. Приведена матрица коэффициентов корреляции, которая отражает наличие линейных зависимостей замеренных концентраций компонентов ОГ и режимных факторов.
При выполнении регрессионного анализа, для описания изменения концентрации компонентов ОГ в режимной области работы двигателя выбрали, так называемую «полную квадратику». Такое описание имеет следующий вид:
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ПОЛУЧЕННЫХ ДАННЫХ

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ПОЛУЧЕННЫХ ДАННЫХ
С использованием приведенных в таблице данных в среде программирования MATLAB были построены графики функций
КОНЦ = f (n,Me), которые дают наглядное представление о том, как изменяются концентрации компонентов ОГ в режимной области двигателя
Иллюстрация изменения
концентраций компонентов ОГ
в режимной области двигателя:
а) окись углерода CO, %;
б) углеводороды CH, ppm;
в) окислы азота NOx, ppm ;
г) углекислый газ CO2, %;
д) кислород O2, %.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ПОЛУЧЕННЫХ ДАННЫХ
Анализ характера изменения концентрации компонентов ОГ в режимной области показывает следующее:
* Концентрация токсичного компонента CO изменяется в пределах 0,05 .. 1,12%, что свидетельствует о хорошем сгорании топлива. На режиме номинальной эксплуатационной мощности СCO= 0,66 %. Наибольшая концентрация СCO= 1,12 % наблюдается при большой нагрузке и минимальных оборотах двигателя.
* У химического компонента CH наблюдается приблизительно такой же характер изменения концентрации как у CO . Концентрация CH в зависимости от режима колеблется в пределах СCH=14…140 ppm. Наибольший уровень концентрации компонента CH наблюдается на режиме при n=nmin и Me=Me max.
* Концентрация токсичного компонента NOx изменяется в пределах 250 …830 ppm, что является достаточно умеренной концентрацией данного компонента (если сравнивать с другими типами дизелей). Наибольшая концентрация СNOx=830 ppm наблюдается при большой нагрузке и минимальных оборотах двигателя. На режиме номинальной эксплуатационной мощности СNOx= 550 ppm.
* Концентрация углекислого газа CO2 изменяется в зависимости от режима в пределах 0,7 … 9,5%. Характер изменения концентрации данного компонента вполне очевиден.
* Концентрация кислорода O2 изменяется в зависимости от режима в пределах 5,8… 20,1%. Характер изменения концентрации данного компонента также вполне очевиден.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА РАСЧЕТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
ДВИГАТЕЛЕЙ KM170-FA И Д-240 ММЗ В ПРОГРАММЕ ДИЗЕЛЬ РК
На первом этапе расчета были заданы основные параметры цилиндро-поршневой группы, топливной аппаратуры, камеры сгорания, количества и расположение отверстий распылителя, характеристика впрыска, и состав используемого топлива

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА РАСЧЕТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
ДВИГАТЕЛЕЙ KM170-FA И Д-240 ММЗ В ПРОГРАММЕ ДИЗЕЛЬ РК
Согласно ранее описанному плану эксперимента были смоделированы аналогичные режимы для расчета характеристик образования оксидов азота в зависимости от угла опережения впрыска, давления перед форсункой.
В ходе моделирования была рассчитана и визуализирована распространите топливных струй исследуемых двигателей

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА РАСЧЕТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
ДВИГАТЕЛЕЙ KM170-FA И Д-240 ММЗ В ПРОГРАММЕ ДИЗЕЛЬ РК
Изменение диаметра сопловых отверстий и УОВТ
Изменение давления впрыска и УОВТ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе работы проведен комплекс по созданию и пуско-наладки исследовательского моторного стенда на базе двигателя Д-240, и установка на него различной аппаратуры. Так были разработаны и определены методики проведения исследований для каждого моторного стендов.
На основе данных полученных экспериментальным путем была
верифицирована математическая модель расчета РП дизеля (модель сгорания, образования оксидов азота, газообмена т.д.) и исследования возможностей повышения его экономичности и снижения выбросов NOx с ОГ, позволяющую учитывать конструктивные и регулировочные изменения;
Выполнено расчетно-теоретическое исследование и проведен анализ влияния регулировочных параметров ТПА (угол впрыска топлива (УВТ), количества топлива), в том числе совместно, на показатели дизеля;
На основе анализа результатов численного исследования определены оптимальные значения настроек параметров ТПА, позволяющих обеспечить рациональное сочетание выбросов NOx и удельного эффективного расхода топлива ge, и на основе полученных результатов были выданы рекомендации способствующие повышению показателей двигателя.
Таким образом, цель работы достигнута, поставленные задачи выполнены. Направлением дальнейшего развития темы может являться: исследование влияния рециркуляции отработавших газов на экологические и экономические параметры двигателя при работе с однофазным и многофазным впрыском.