Моделирование внутрицилиндровых процессов транспортных двигателей с целью повышения их экономичности и экологичности

ЭКОЛОГИЯ

УДК 621.43/.512]:519.6

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВНУТРИЦИЛИНДРОВЫХ ПРОЦЕССОВ ТРАНСПОРТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ИХ ЭКОНОМИЧНОСТИ И ЭКОЛОГИЧНОСТИ

© 2005 г. Ю.И. Булыгин

The basic methods and ways of increasing of profitability and ecological compatibility of diesel engines of diesel locomotives and special machinery are submitted. Modelling calculations of transport engines on water-fuel emulsions are made, and with help of recirculation the emanated gases. The comparative analysis of results of calculations with experimental data was conducted, and conclusions are made.

Исследования, направленные на повышение экономичности и экологичности дизелей тепловозов

Обеспечение экологической безопасности при воздействии на атмосферу транспортных объектов, в том числе тепловозов и путевой техники, является одной из актуальных и важных задач транспортной экологии. Достичь ее реализации на практике можно различными способами и путями. На рисунке представлены основные методы и способы повышения экономичности и экологичности дизелей тепловозов и специального подвижного состава. Все мероприятия можно разделить на технологические, санитарно-технические, планировочные и административные. По этим четырем направлениям ведутся научно-исследовательские работы, начиная с самого создания тепловозов. В результате выделены два основных направления повышения экономичности и экологичности дизельного подвижного состава железнодорожного транспорта.

Первое направление связано с техническим совершенствованием ДВС, в том числе уменьшение токсичности выбросов и удельных расходов топлива дизелей тепловозов за счет внедрения мероприятий внутри источника загрязнений, т.е. работы, направленные на улучшение экологических показателей самого дизеля и его вспомогательных механизмов. К таковым можно отнести:

1. Применение новых перспективных конструкций и схем работы ДВС (изменение конструкции камеры сгорания и процесса вихреобразования в ней, комбинированные схемы с включением в секцию нескольких ДВС разной мощности, применение двигателей со свободным газотурбинным наддувом и системами глубокой утилизации теплоты, использование ро-торно-поршневых ДВС, применение форсирования, в том числе за счет высокого наддува).

Методы и способы повышения экономичности и экологичности дизелей тепловозов и специальной техники

2. Регулирование углов опережения впрыска топлива, продолжительности и закона топливоподачи, давления впрыска, настройки топливной аппаратуры, поиск оптимальной геометрии камер сгорания и распылителей.

3. Использование новых или модернизованных топливных систем на тепловозных дизелях (внедрение аккумуляторных топливных систем, электро-гидравлических форсунок, систем электронного зажигания).

4. Использование альтернативных и комбинированных видов топлива и энергий (переход на газодизельный цикл рабочего процесса, использование водотопливных, угольных суспензий, смесей и различных присадок, применение аккумуляторных батарей на маневровых тепловозах).

5. Использование катализаторов, топливных присадок и водотоплив-ных эмульсий, предварительное насыщение топлива воздухом, а также устройств, активизирующих горение топлива в ДВС.

6. Применение рециркуляции отработавших газов при частичных нагрузках работы маневровых тепловозов.

7. Охлаждение свежего заряда и дросселирование на впуске дизеля.

Второе направление исследований связано с реализацией принципа

уменьшения вредного воздействия на окружающую среду от технического объекта на пути распространения загрязнений. К основным исследованиям второго направления относятся:

1. Использование различных устройств (катализаторов, нейтрализаторов) и систем очистки отработавших газов тепловозов от вредных выбросов (в первую очередь от сажи и N0,^.

2. Выдача разрешений на выбросы вредных веществ тепловозами (административные методы запрета или разрешения на эксплуатацию тепловозов).

3. Осуществление проверок тепловозов на соответствие их выбросов техническим нормативам выбросов загрязняющих веществ посредством организации контроля токсичности отработавших газов дизелей с использованием приборов газового анализа и оборудования ПЭК.

4. Обустройство санитарно-защитных зон предприятий, эксплуатирующих тепловозы и специальную дизельную технику.

Рассмотрим некоторые из этих возможностей повышения экономических и экологических показателей дизелей тепловозов более подробно и сравним результаты модельных расчетов с экспериментальными данными, полученными на ПЭК и реостатных станциях в локомотивных депо.

Перспективы использования водотопливных эмульсий в транспортных двигателях

Применение воды в рабочем процессе ДВС не является новинкой. Ее впрыск производился для обеспечения работы дизелей на низкооктановых топливах еще в 30-е гг. В настоящее время основное внимание при использовании воды в качестве добавки к дизельному топливу уделяется возможности повышения экономичности и снижения токсичности отработавших газов (ОГ) ДВС.

Однако анализ литературных источников, касающихся применения водотопливных эмульсий (ВТЭ) в дизелях, показал, что их данные противоречивы. Так, в [1] утверждается, что использование ВТЭ наилучшие результаты дает на дизельных двигателях, и подача в камеру сгорания воды обеспечивает дополнительное распыление топлива за счет дробления перегретыми парами воды. При этом удельные расходы топлива снижаются на 4-10 %. За счет уменьшения максимальных температур сгорания количество N0x может снижаться на 40-50 %. Уменьшается также дымность ОГ, так как сажа взаимодействует с водяными парами и может

образовывать углекислый газ и азот. Выделение СО остается практически неизменным по сравнению с работой ДВС на дизельном топливе, а выделение углеводородов несколько увеличивается.

Работы, проведённые в МАДИ, свидетельствуют о том, что применение ВТЭ не приводит к увеличению термодинамического КПД рабочего цикла дизеля, но за счёт улучшения процесса впрыска, смешивания, воспламенения и сгорания возрастает относительный КПД.

По данным японских исследований, проведённых на одноцилиндровом дизеле с неразделённой камерой сгорания, некоторые варианты состава ВТЭ обеспечивали снижение N0 на 60 %, а дымности выпускных газов -на 50. Объяснение этого эффекта, по мнению авторов, связано со снижением температуры в локальных зонах горения (снижение концентрации МОх) и улучшением условий для выгорания тяжёлых сажистых остатков (снижение дымности). В этих опытах эмульсии приготавливались с использованием трубчатого смесителя. Степень расслоения эмульсии после 12-дневной выдержки не превысила 5 %. Агрессивность эмульсии проверялась испытанием на медной пластине на коррозийную стойкость. Установлено, что по этому показателю ВТЭ практически не отличается от лёгкого топлива.

Проведенные научно-исследовательские изыскания на морском транспорте показали, что из всех способов предотвращения образования вредных веществ в дизелях наиболее универсальным является сжигание топлива в виде ВТЭ, причем этот способ хорошо подходит для судовых условий. При работе двигателя на ВТЭ (содержание воды в топливе 15-40 %) в результате улучшения полноты сгорания дымность ОГ снижается в 23 раза и на 20-30 % сокращаются выбросы оксидов азота. Однако на холостом ходу и при малых нагрузках дизеля применение ВТЭ создает совокупный отрицательный эффект, что связано с резким изменением параметров рабочего процесса двигателя, значительно отличающихся от номинального режима работы.

Большинство исследователей особую роль воды в процессе смесеобразования объясняют осуществлением микровзрывов, что приводит к интенсивному распыливанию капель топлива и улучшению перемешивания их с воздухом. По этим причинам процесс сгорания осуществляется более полно, протекает за меньший промежуток времени. Более полное сгорание обеспечивается и газификацией сажистых остатков топлива, которые обычно не успевают сгорать, но в присутствии достаточного количества паров воды взаимодействуют с последними при температурах выше 800 °С с образованием водорода и углекислого газа. Свободный водород реагирует с кислородом значительно быстрее и активнее, чем углерод. Протекание такого механизма реагирования подтверждается ещё и тем, что при впрыске воды во всасывающий коллектор дизеля нагара и отложений на днище поршня, головке цилиндра и впускном патрубке, как правило, не наблюдается.

Однако имеются и иные мнения. Так, в работах [2, 3] доказывается, что гипотезу В.М. Иванова о микровзрывах следует пересмотреть, так как проведенные экспериментальные исследования показали, что эту (по сути физическую) модель необходимо дополнить термохимической или даже химико-кинетической, так как ВТЭ это уже новое химическое топливо с новыми свойствами. Подобная попытка выполнить детальный физико-химический анализ процесса сгорания ВТЭ и предпринята в настоящей статье.

С целью исследования энерго-экологических и экономических показателей работы тепловозных дизелей были произведены модельные расчеты по программе «ENGINE» [4, 5]. В качестве исходных данных для моделирования были взяты некоторые опытные данные по дизелю 2Д100, экспериментальные исследования на котором в одном из депо СКЖД были произведены доцентом В.М. Ивановым (РГУПС). Дизель 2Д100 работал на дизельном топливе (ДТ) и ВТЭ на 16-й позиции контроллера. Так как внешние значения мощности и расхода топлива определялись для всего дизеля, то анализировалась усредненная индикаторная диаграмма, полученная на основе осциллограмм пяти цилиндров.

Как показывает расчет низшей теплоты сгорания топлива, подводимая теплота в сравниваемых дизельных циклах (ДТ и ВТЭ) существенно разнится (отличается на 9,6 %). Для ДТ она составляет Qн = 42830 Дж/г, а в случае применения ВТЭ - Q^ = 38727 Дж/г. Кроме того, как показали экспериментальные исследования (табл. 1), произведенные на дизеле 2Д100 на 16-й позиции контроллера машиниста, существенно отличаются и коэффициенты избытка воздуха, характеризующие химизм горения в камере сгорания дизеля. При работе 2Д100 на дизельном топливе а = 1,557, а на водотопливной эмульсии а = 1,666. Вышеприведенные данные были использованы в качестве исходных при расчете рабочих процессов дизеля 2Д100, работающего на ДТ и ВТЭ с к = 0,1. Произведенные модельные расчеты по программе «ENGINE» показали результаты по сравниваемым циклам, сведенные в табл. 2. Из табл. 2 следует, что при переводе рабочего цикла дизеля 2Д100 на ВТЭ изменяются практически все обобщенные энерго-экономические характеристики и ряд экологических параметров.

Так, мощность дизеля уменьшается на 16-й позиции на 5,6 %, а удельный расход ВТЭ по сравнению с расходом дизельного топлива возрастает на 4,4. При этом собственно экономия дизельного топлива составляет всего 5,6 %, а не 10, которые замещаются водой. Уменьшается эффективный коэффициент полезного действия рабочего цикла дизеля на 0,5 %. Снижается также максимальная температура сгорания в цилиндре ДВС Т2, К примерно на 75-80, уменьшаются максимальные давления сгорания на 3-4 • 105 Па и жесткость процесса сгорания. Что касается экологических параметров работы 2Д100 на ВТЭ, то при уменьшении в выхлопных газах

таких вредных веществ, как СО (на 10,1 %), СН (на 6 %), N0,, (на 2530 %), 80х (на 15 %), мы имеем значительный рост содержания сажи (на 30-33 %). Последнее по видимому объясняется тем, что при применении ВТЭ снижаются локальные температуры в камере сгорания, и это приводит к меньшему образованию оксидов азота и к более вялому выгоранию углерода. Однако в целом показатель вредности Е отработавших газов, введенный профессором В. А. Звоновым, становится ниже за счет уменьшения количества более агрессивных оксидов азота. Таким образом, следует отметить, что перспективы применения ВТЭ выглядят весьма противоречиво. С одной стороны, мы действительно имеем экономию дизельного топлива, а с другой - снижение мощности тепловозного дизеля, увеличение удельных расходов ВТЭ и рост содержания сажи в отработавших газах. Кроме того, применение ВТЭ с долей содержания воды более 10 % приводит к существенному изменению конструкции дизеля, а также не проверено практикой влияние, которое данная топливная смесь окажет на надежность и долговечность работы топливной аппаратуры дизелей.

Таблица 1

Исходные данные при испытании 2Д100 на ДТ и ВТЭ при работе на 16-й позиции контроллера

Вода, Т, К Масло, Т, К Генерат., I, A Генерат., U, В Выхлоп, v К Впуск, Рк, кПа Впуск, Тк , К рад/c Расход топлива, В, кг/ч gie кг/цикл 10-3 Ми, кмоль/цикл 10-3 а М Qhp, кДж/кг

Дизельное топливо

353 340 2520 488 655 129 341 89,2 382,1 0,748 0,6076 1,557 1,0389 42950

Водотопливная эмульсия

356 346 2525 495 652 129 341 89,9 360 0,699 0,6076 1,666 1,0435 42620

Таблица 2

Результаты расчетов энерго-экологических параметров 2Д100 на ДТ и ВТЭ при работе на 16-й позиции контроллера*

Энерго-экологические и экономические параметры дизеля 2Д100

Эфф. мощность, N„ кВт Макс. темпер. сго-ран., Tz, К Макс. давл. сгоран. Pz, МПа Инд. давл., Рт , МПа Коэфф. изб. воздух, а Частота вращ. вала, n, об/мин Расход топлива, В, кг/ч часов Уд. расход топл., g* гр/кВт ч Qhp, кДж/кг Эфф. коэфф. полезн. действ., П., % СО, ррт СН, ррт NOx , ррт SOx, ррт Nor, %

Дизельное топливо

1590,8 2098 7,93 0,89 1,557 850 500 314,7 42830 0,29 4039 106 880 113 1,5

Водотопливная эмульсия

1501,2 2026 7,67 0,83 1,666 850 522 348,7 38727 0,28 3631 100 660 96 2,06

* Параметры настройки дизеля на 16-й позиции контроллера машиниста: давление наддува рк = 1,29 кгс/см2; угол опережения впрыска топлива фн = 10 град. п.к.в. до ВМТ; продолжительность впрыска фпр = 22,5 град. п.к.в.

Исследование эффективности рециркуляции отработавших газов

тепловозных ДВС

Рециркуляция ОГ - эффективный способ для сокращения уровня эмиссии N0, - в течение многих десятилетий используется в дизельных двигателях [6]. Эффект рециркуляции основывается на трех действиях:

- снижение концентрации кислорода в камере сгорания;

- сокращение расхода отработавших газов;

- снижение температуры в цилиндре благодаря более высокой теплоемкости инертных газов, которые не участвуют в реакции (например, СО2).

Однако, как отмечается в [7], применение рециркуляции ОГ одновременно снижая эмиссию N0, приводит к увеличению выбросов продуктов неполного сгорания: оксида углерода СО и дисперсных частиц, а также к увеличению дымности ОГ и ухудшению экономичности дизеля. Выбросы углеводородов могут как увеличиваться, так и снижаться в зависимости от особенностей как системы организации рециркуляции, так и самого рабочего процесса. Реальный коэффициент рециркуляции находится на уровне 8-12 %, так как увеличение его свыше 20 % приводит к значительному росту продуктов неполного сгорания и дымности ОГ, как следствие падению мощности и ухудшению топливной экономичности.

Вышеприведенная информация о связи степеней рециркуляции с технико-экологическими параметрами дизелей базируется на эмпирическом материале, получаемом различными исследователями. Поэтому в настоящей работе были произведены модельные расчеты, которые позволили укрупнено оценить и исследовать эффективность применения рециркуляции отработавших газов тепловозных ДВС, а также сравнить результаты расчетов с опытными данными. При моделировании не учитывались особенности организации системы рециркуляции и анализ носил преимущественно термохимический характер.

При компьютерном моделировании процессов рециркуляции для дизеля маневрового тепловоза ЧМЭ3 установлено, что на номинальном режиме работы со степенью рециркуляции 10 % основной положительный эффект заключается лишь в снижении выбросов оксидов азота (в 1,5 раза) и уменьшении в ОГ СО и СН, соответственно, на 13 и 10 % (табл. 3). Мощность силовой установки тепловоза снижается на 9 %, ухудшается топливная экономичность машины на 11 % и увеличивается дымность ОГ почти в 2 раза. Тем самым подтверждаются результаты экспериментальных работ, проведенных многими авторами, где утверждается, что данный способ снижения выбросов N0 сопряжен с резким ухудшением топливной экономичности ДВС. При степени рециркуляции ОГ 20 % дым-ность увеличивается уже в 3 раза, а мощность дизеля падает на 25 %. Таким образом, подтверждается, что применение рециркуляции на номинальных режимах работы тепловозных ДВС нецелесообразно.

Иная картина наблюдается в области малых нагрузок (табл. 3). Применение рециркуляции (к = 0,1) приводит к снижению выбросов N0 в

1,5 раза при таком же увеличении дымности, а мощность дизеля снижается уже всего на 8 %, что незначительно на 3-й позиции контроллера машиниста. Удельный расход топлива снижается не более чем на 7 %.

Таблица 3

Результаты модельных расчетов дизеля К68310БК тепловоза ЧМЭ3 на ДТ и при различных степенях рециркуляции отработавших газов

Режим работы тепловоза Частота вращ. вала, n, об/мин Инд. мощность, N„ кВт Расход топлива, g . уд. гр/кВт ч Инд. давление, Pmi , МПа Q„p , кДж/кг Макс. давл. сгорания, Pz , МПа Макс. темпер. сгорания, Tz, К СО, ррт СН, ррт NOx , ррт SOx, ррт Nor, %

Дизельное топливо

Номинал 750 957 292,4 12,2 42830 9,04 1860 3482 96 480 91 4,25

Рециркуляция ОГ

Номинал 750 869 324,9 11,1 38444 8,56 1757 3022 87 290 80 7,82

Рециркуляция ОГ

Номинал 750 796 366,3 10,1 34023 8,17 1672 2632 80 180 72 13,7

Дизельное топливо

3-я поз. 500 371 304 7,1 42830 6,9 1584 399 20 300 70 36,3

Рециркуляция ОГ

3-я поз. 500 343 339,6 6,5 38444 6,63 1519 306 19 200 65 51,9

Рециркуляция ОГ

3-я поз. 500 310 383,7 5,9 34023 6,28 1438 195 17 100 59 69,8

Как показывает практика эксплуатации тепловозов, применение рециркуляции ОГ от 5 до 30 % (большее значение относится к режиму холостого хода и зоне малых нагрузок) позволяет в 2 раза снизить выделение определяющего токсичность дизеля компонента - окислов азота. Однако при этом в среднем на 30 % возрастает концентрация продуктов неполного сгорания топлива - СО, альдегидов, сажи. Вместе с тем улучшаются топливно-экономические показатели дизеля: на 14-15 % в режимах холостого хода и на 2-3 % в области малых нагрузок (по тепловозу ТГМ 6).

Следует отметить, что данный способ снижения вредных выбросов достаточно просто может быть реализован на различных тепловозах и не требует проведения дорогостоящих работ.

Литература

1. Беднарский В.В. Экологическая безопасность при эксплуатации и ремонте автомобилей. Ростов н/Д, 2003.

2. Гладков О.А., Бернштейн Е.В., Виноградов Д.П. // Двигателестроение. 1989. № 10. С. 10-12.

3. Сенчило В.В., Школьный А.А. // Двигателестроение. 1987. № 8. С. 6-8.

4. Булыгин Ю.И. // Изв. вузов. Машиностроение. 2001. № 6. С. 31-48.

5. Булыгин Ю.И. и др. Расчет энерго-экологических параметров ДВС «ENGINE» / Свидетельство об официальной рег. ПрЭВМ № 2002610605. М.: РОСПАТЕНТ, 2002.

6. СмайлисВ.И. Малотоксичные дизели. Л., 1972.

7. Кульчицкий А.Р. Токсичность автомобильных и тракторных двигателей. М., 2004.

Ростовский государственный технический университет 24 октября 2005 г.

УДК 574.587

ВЛИЯНИЕ КЛИМАТООБРАЗУЮЩИХ ПРОЦЕССОВ НА ЗООБЕНТОС АЗОВСКОГО МОРЯ И СЕВЕРНОГО КАСПИЯ

© 2005 г. С.В. Сарвилина

It was shown, that zoobenthos biomass decrease in Taganrog bay of Azov sea and Eastern part of Northen Caspian sea was promoted by Western form of atmospheric circulation development. Eastern circulation recurrence intensification promotes the increase of zoobenthos biomass. (G.Ya. Vangengeim typification). Quasi-periodicity lasting from 5-7 to 10-13 years could be traced in long-term zoobenthos biomass alterations.

Изучение бентоса и его многолетней динамики имеет большое научное и практическое значение. Донные сообщества являются индикатором климатических и антропогенных процессов. Многие виды макрозообенто-са являются хорошими адсорбентами тяжелых металлов, токсичных и радиоактивных веществ, т.е. показателями степени загрязнения. Зообен-тос представляет собой одно из основных звеньев трофической цепи и, в частности, служит важным кормовым объектом рыб-бентофагов.

Целью нашей работы является оценка связи многолетней динамики общей биомассы зообентоса с колебаниями гидрометеорологических факторов. Выявление подобных связей создает предпосылки для последующей разработки прогноза изменений биогеоценозов южных морей.

Работа выполнена с применением методов математической статистики. При оценке статистических связей между динамикой зообентоса Азовского моря, а также Северного Каспия и гидрометеорологическими характеристиками (атмосферная циркуляция, речной сток, метеоэлементы, соленость и др.) анализировались ряды наблюдений за указанными показателями в течение последних 50-60 лет различных ведомств и учреждений (РГГМУ, АзНИИРХ, КаспНИРХ, ГОИН, Госкомгидромет, ММБИ КНЦ РАН, ЮНЦ РАН и др.). Использовались и опубликованные материалы [1-8].

Оценка связей между изменениями характера атмосферной циркуляции (АЦ) и колебаниями биомассы зообентоса Азовского моря и Северного Каспия выполняется впервые.