WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

УДК 621.431

Шибанов Антон Владимирович

Влияние конструктивных и регулировочных факторов на образование вредных веществ в быстроходном дизеле, конвертированного на природный газ.

Специальность 05.04.02-Тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва-2007

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана

Научный руководитель – Доктор технических наук, профессор

Кавтарадзе Реваз Зурабович

Официальные оппоненты- Доктор технических наук, профессор

Гусаков Сергей Валентинович

Кандидат технических наук,

старший научный сотрудник

Скрипник Алексей Александрович

Ведущее предприятие- Московский Автодорожный Институт (МАДИ-ТУ)

Защита диссертации состоится __________________2007 г. в_____часов на заседании диссертационного совета Д 212.141.09 в Московском государственном техническом университете Н.Э. Баумана по адресу: 105005,

Москва, Рубцовская наб., д.2/18, Учебно-лабораторный корпус, ауд. 947.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н. Э. Баумана

Ваши отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направить по адресу: 105005, Москва, 2-ая Бауманская ул., д.5, МГТУ им. Н. Э. Баумана, ученому секретарю диссертационного совета Д212.141. 09.

Автореферат разослан «___» ____________ 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

к. т. н. доцент Тумашев Р.З.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Топливно-энергетическая и экологическая ситуация, складывающаяся в мире, свидетельствует о том, что природный газ, используемый в качестве моторного топлива, является реальной альтернативой жидким углеводородным топливам. В условиях конвертации находящихся в эксплуатации двигателей внутреннего сгорания для работы на природном газе, т.е. для так называемого вторичного рынка газоиспользующей техники, выбор способа организации рабочего процесса ограничивается технологическими возможностями ремонтных подразделений транспортных предприятий. Поэтому самым распространенным является увеличение камеры сгорания под степень сжатия, исключающую появление детонации в цилиндре двигателя, с последующей организацией процессов подачи и воспламенения топливно-воздушной смеси. Особое внимание следует уделять влиянию формы камеры сгорания, интенсивности вихревого движения заряда и угла опережения зажигания на скорость распространения фронта пламени и скорость выгорания топлива, возникновению вредных компонентов в процессе окисления метана, интенсивности турбулентности и локальных значений турбулентной кинетической энергии, тепловых потерь в стенки камеры сгорания. По характеру протекания этих физических процессов, дизель, конвертируемый на природный газ, значительно отличается от базового двигателя.

В настоящее время особое значение при конвертировании серийных двигателей на природный газ приобретает математическое моделирование процессов смесеобразования и сгорания в цилиндре двигателя ещё на стадии разработки проекта перевода на природный газ, что должно обеспечить сокращение времени и материальных затрат на экспериментальную доводку.

Очевидно, что конвертирование серийных дизелей на природный газ и обеспечение приемлемых эффективных и экологических показателей, является одной из актуальных задач современного двигателестроения.

Цель работы: Исследование возможности улучшения экологических характеристик быстроходного дизеля, конвертированного в газовый двигатель с искровым зажиганием.

Для достижения поставленной цели были решены следующие основные задачи:

  • Проведение экспериментальных исследований рабочего процесса быстроходного дизеля, конвертированного в газовый двигатель с искровым зажиганием, в лабораторных условиях;
  • Разработка и верификация математической модели трехмерного турбулентного переноса и горения в цилиндре газового двигателя с использованием результатов эксперимента;
  • Исследование влияния конструктивных (форма камеры сгорания, интенсивность вихревого движения заряда) и регулировочных (угол опережения зажигания) параметров на экологические показатели (NOx) газового двигателя.

Научная новизна:

Исследованы влияния конструктивных (формы камеры сгорания, интенсивность вихревого движения заряда) и регулировочных (угол опережения зажигания) факторов в быстроходном дизеле, конвертированном на природный газ, на образование оксидов азота с учетом нестационарного трехмерного движения и турбулентного сгорания в цилиндре.

Достоверность и обоснованность научных положений обусловлены:

  • использованием фундаментальных законов и уравнений теплофизики, газодинамики и физической химии с соответствующими граничными условиями, современных численных методов реализации математических моделей;
  • применением достоверных опытных данных по исследованию рабочего процесса газового двигателя с искровым зажиганием, полученных во ВНИИГАЗе и в МГТУ им. Н.Э. Баумана при непосредственном участии автора.
  • использованием известных экспериментальных данных по внутрицилиндровым процессам газовых двигателей, полученных во ВНИИГАЗе, МАДИ, на фирмах MAN, Volvo и др.

Практическая значимость работы состоит в том, что:

  • разработанные метод и алгоритм позволяют прогнозировать эффективные и экологические показатели дизеля при его конвертировании в газовый двигатель с искровым зажиганием;
  • определены значения конструктивных и регулировочных параметров, обеспечивающих снижение содержания оксидов азота в продуктах сгорания газового двигателя КамАЗ-740.13.Г-260;

Апробация работы

По основным разделам диссертационной работы были сделаны доклады на:

  • Международном симпозиуме "Образование через науку", посвященном 175-летию МГТУ им Н.Э. Баумана, Москва, МГТУ им Н.Э. Баумана, май. 2005г.;
  • Научный семинар “Проблемы моделирования процессов горения”(под рук. чл-корр. РАН Ю.В. Полежаева и д.ф.-м. наук, проф. С.М. Фролова), Москва, Институт химической физики им Н.Н. Семенова РАН, октябрь 2005 г.;
  • Четвертой Российской Национальной Конференции по Теплообмену, Москва, МЭИ, октябрь 2006г.;
  • Научно-технической конференции «3-и Луканинские чтения. Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе», январь 2007.г., Москва, МАДИ.

Публикации. Основные положения диссертационной работы представлены в 8 печатных работах.

Структура и объём работы. Диссертационная работа содержит 145 страниц машинописного текста, 51 рисунок, 5 таблиц, состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка литературы из 118 наименований (42 из них на иностранном языке).

Содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность проблемы конвертирования серийных дизелей на природный газ, обеспечение приемлемых эффективных и экологических показателей для современного двигателестроения. Дана общая характеристика диссертационной работы, изложенная выше.

В первой главе приведён аналитический обзор работ, посвящённых теоретическому и экспериментальному изучению конвертирования дизелей на природный газ, выполненных отечественными и иностранными исследователями: Багдасаров И.Г., Гайворонский А.И., Галышев Ю.В., Иващенко Н.А., Кавтарадзе Р.З., Колеров Л.К., Марков В.А., Патрахальцев Н.Н., Синявский В.В., Фомин В.М., Хачиян А.С., Хмельницкий А.П., Andreassi L., Dietrich W.R., Golub A., Hyun G., Johansson B., Kevin D., Zhang D., Woschni G., Zeilinger K., Zitzler G. и др. Подчёркиваются особенности изменения конструктивных и регулировочных факторов двигателей. Проанализированы работы ряда ведущих исследовательских институтов и крупных автопроизводителей: ВНИИГАЗ, МАДИ, Volvo, Mitsubishi, MAN, Ricardo.

На основе выполненного анализа опубликованных работ по заданной тематике и потребностей современного двигателестроения были определены цель и основные задачи данной диссертационной работы, изложенные выше.

Вторая глава посвящена разработке математической модели рабочего процесса газового двигателя с искровым зажиганием. Описана трехмерная модель турбулентного переноса в цилиндре двигателя в частных производных и в форме Рейнольдса:

;

; (1.1)

; =;

Для замыкания системы уравнения Рейнольдса используется k- модель турбулентности:

(1.2)

Численная реализация модели осуществляется с применением программного комплекса FIRE, разработанного фирмой AVL List GmbH (Лицензионное соглашение DKNR: BMSTU70203 между МГТУ им. Н. Э. Баумана и AVL List GmbH). Ядро FIRE основано на численном методе контрольных объемов с использованием усовершенствованного алгоритма SIMPLE. В качестве модели сгорания использовалась модель Магнуссена- Хьертагера. Модель предполагает, что в турбулентно перемешанном пламени, реагенты (топливо и кислород) содержатся в одних и тех же вихрях и отделены от вихрей, содержащих горячие

продукты горения. Химические реакции обычно имеют масштаб времени, который очень короткий по сравнению с временным масштабом турбулентного переноса. Это позволяет принять, что скорость сгорания определяется скоростью перемешивания на молекулярном уровне реагентов, в вихрях не содержащих горячие продукты горения, т.е. скоростью диссипации этих вихрей.

Привлекательной особенностью этой модели является то, что она не требует знаний флуктуаций реагирующих частей. Средняя скорость реакции сгорания (изменение концентрации по времени) рассчитывается для каждого контрольного объема:

(1.3),

Два первых члена в операторе min(...) определяют, какой из компонентов (топливо или кислород) присутствует в ограниченном размере, а третий член выражает вероятность реакции, и гарантирует, что пламя не разорвется в отсутствие горячих продуктов.

Образование NOx моделируется на основе расширенного механизма Зельдовича для каждого контрольного объема:

(1.4)

Особое внимание при создании расчетной сетки контрольных объемов уделяется характерным местам в цилиндре двигателя. Такие, как область вокруг месторасположения свечи зажигания, рядом с кромками поршня. В данной работе были сгенерированы сетки со средним размером ячейки – 5мм. Для характерных областей, этот размер мог достигать 0,5мм. Количество контрольных объемов составляло около 80 000 ячеек. Время расчета рабочего процесса с момента закрытия впускного клапана, до момента открытия выпускного составило примерно 10 – 11 часов (компьютер Pentium-4 с оперативной памятью 512 Мб, с частотой процессора 2,8 ГГц). При перемещении поршня к ВМТ, ячейки расчетной сетки сжимаются вдоль оси цилиндра, а при движении поршня к НМТ происходит их растягивание.

Для проверки результатов расчета была проведена верификация математической модели путем сравнения индикаторных диаграмм (рис.1), а также графиков тепловыделения, полученных экспериментально и с помощью расчета. Сравнение расчетных и экспериментальных данных показало, что отклонение индикаторных диаграмм составляет 1,7% для режима номинальной мощности и 1,5% для режима частичной нагрузки. Погрешность расчета скорости тепловыделения составила 6% для режима частичной нагрузки.

Третья глава посвящена описанию принципа работы экспериментальной установки, методики измерения эффективных показателей дизеля, конвертированного на природный газ, работающего с искровым зажиганием и методики индицирования. Все результаты, проанализированные в данной главе, были получены при непосредственном участии автора диссертационной работы.

Для исследования рабочего процесса газового двигателя в лаборатории ВНИИГАЗ был создан специальный стенд для испытания газовых двигателей. Кроме стандартных измерений (крутящий момент; эффективная мощность, эффективный расход топлива и т.д.) программа экспериментальных исследований предусматривала индицирование двигателя на различных скоростных и нагрузочных режимов работы.

На рис. 2 приведена принципиальная схема экспериментальной установки. Работа установки происходит следующим образом: пуск двигателя осуществляется командой с пульта управления 1, после которой разгрузочное устройство 2 начинает прокручивать коленчатый вал двигателя 3. Сигнал с датчика положения коленчатого вала 4 сначала поступает в мультипликатор 13, а затем в приемное устройство High Speed Signal Processor 6501 10, где происходит его обработка и синхронизация с сигналом датчика высокого давления 8 расположенного в цилиндре двигателя. Сигнал поступает сначала на усилитель 12, а затем обрабатывается процессором 10. Система охлаждения датчика высокого давления 8 – замкнутая, объем охлаждающего бака 9 составляет 20л. Регулировка положения дросселя, изменение величины нагрузки осуществляется с пульта управления 1. Сигнал с лямбда-зонда 5 обрабатывался с помощью газоанализатора STARGAS 898 инфракрасного типа действия 11, через который осуществлялись замеры концентрации токсичных веществ в отработавших газах и коэффициента избытка воздуха. Расход природного газа определялся путем вычисления с применением измеренных значений давления и температуры газа в канале после редуктора высокого давления 6. Измерение крутящего момента и мощности осуществлялось по известной схеме.

Для индицирования двигателя был использован пьезокварцевый датчик высокого давления 8QP505cs производство фирмы AVL. Датчик имеет следующие характеристики: диапазон измерения 180 бар; чувствительность 18,65 мВ/бар; линейность <±0,6%; собственная частота 100 кГц.

Индицирование двигателя с помощью пьезокварцевого датчика осуществляется следующим образом (рис. 2): Сигнал (мВ) с датчика высокого давления 8QP505c (8) поступает в блок усилителя 3056 А01 (12), затем в процессор High Speed Signal Processor 6501 (10), где происходит его синхронизация и обработка с сигналом, поступившим от устройства (4) измерения частоты вращения коленчатого вала 360CG.00.

При индицировании двигателя используются следующие приборы:

1) Digital Analyzer 657 - устройство приема и обработки сигналов (AVL, Австрия) состоит из усилителя (12) типа 3056 А01, процессора (10) High Speed Signal Processor 6501 и дисплея.

2) Комплект 360CG.00 – прибор для измерения частоты вращения двигателя. Состоит из пластикового диска (4) с разметкой ‘363CG.01’ и оптического датчика ‘361CG.03’.

3) Мультипликатор (13) импульсного типа 3501-Z03.1.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»