Расчет состава продуктов сгорания топлива в цилиндре тепловозного дизеля, работающего по газодизельному циклу

УДК 629.424.001.57

А. С. Анисимов

РАСЧЕТ СОСТАВА ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ТОПЛИВА В ЦИЛИНДРЕ ТЕПЛОВОЗНОГО ДИЗЕЛЯ, РАБОТАЮЩЕГО ПО ГАЗОДИЗЕЛЬНОМУ ЦИКЛУ

В статье представлена методика расчета количества продуктов сгорания дизельного и газодизельного топлива, модельные расчеты выполнены применительно к тепловозному дизелю 16ЧН26/26 (2А-5Д49). Параметры рабочего цикла дизеля, работающего на различных видах углеводородного топлива, рассчитаны с использованием комбинации методов Гриневецкого - Мазинга и Вибе. Расчет количества вредных выбросов и количества парниковых газов выполнен с использованием метода равновесного состава с учетом изменения термодинамических параметров выгорания топлива и элементарного состава топливной смеси по позициям контроллера машиниста.

Количество продуктов сгорания топлива в цилиндре двигателя при определенной цикловой подаче зависит от скорости окисления составляющих топлива кислородом воздуха, протекающего при переменных значениях объема цилиндра, давления и температуры рабочего тела в камере сгорания.

Качественный и количественный состав продуктов сгорания определяется с использованием термодинамических методов, позволяющих оценить равновесный состав продуктов сгорания для любых заданных условий выгорания топлива (элементарный химический состав топлива, состав рабочего тела, изменение температуры, объема и давления рабочего тела в процессе сгорания) с учетом энергии диссоциации составляющих элементов рабочего тела. Метод равновесного состава для расчета количества продуктов сгорания углеводородных видов топлива в цилиндре двигателей внутреннего сгорания предложен в работе [1]. Данный метод использован кафедрой «Локомотивы» ОмГУПСа для расчета качественного и количественного состава продуктов сгорания с учетом особенностей конструкции тепловозных дизелей, расширения видов и теплофизических характеристик современных видов топлива, повышения требований по снижению антропогенного воздействия двигателей на окружающую среду. Основные положения усовершенствованной методики представлены в работах [2, 3].

В общем случае, согласно работе [4], в составе отработавших газов при сгорании дизельного топлива состава Н + С + О + Б = 1 может содержаться 36 элементов, которые представляют собой химические соединения из пяти исходных элементов: углерода, водорода, серы, кислорода и азота.

Для определения количества этих элементов в методе равновесного состава используются четыре уравнения материального баланса и уравнение Дальтона, записанные в виде:

^ / ^ = 0,37468/С;

5С / 5Н = 0,0839С/Н;

а£с /50 = 0,1678С/

«V ^ = 1,1082

п

Р =Е Р,

;=1

где SN, £с, $$ - число атомов кислорода, азота, углерода, водорода и серы в определенный момент процесса сгорания; а - коэффициент избытка воздуха; Р' - полное давление смеси в цилиндре двигателя для у'-го момента сгорания; Ру - парциальное давление /-го элемента газа дляу'-го момента сгорания; п - количество элементов в продуктах сгорания топлива.

2 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 1(21) 2015

—— = 1 V

Значения парциального давления продуктов сгорания определяются по известной температуре сгорания с использованием констант равновесия реакций диссоциации газов, рассчитанных по выражению [4]:

^ К = К + к' х + к-2Х 2 + к-X 1 + КхХ + К2Х2 + + КХ3 + КХ4 + КХ5 + КХ6 + КХ7,

3 4 5 6 7 '

где X = Т /10000 - средняя температура рабочего тела дляу-го момента сгорания топлива, К.

Коэффициенты К0, К', К-2, ..., К7 в уравнении (6) для анализируемых продуктов сгорания приведены в работе [4].

Решение уравнений (1) - (5) выполняется с использованием численных методов, с заданной точностью. Подробная методика решения системы уравнений и определения количества продуктов сгорания представлена в работе [2].

Изменение параметров рабочего тела (объема, давления, температуры, доли сгоревшего топлива и коэффициента избытка воздуха) в цилиндре двигателя для расчетного интервала времени уг-1 - ]г происходит вследствие выделения тепла при сгорании топлива, теплообмена рабочего тела со стенками цилиндра, газового обмена между объемом цилиндра и впускной и выпускной системами, изменения состава рабочего тела и т. д.

Известно, что в цилиндре двигателя топливо сгорает не полностью даже при наиболее благоприятных условиях, причиной чего может быть значительное количество факторов, например:

а) неоднородность рабочей смеси в объеме камеры сгорания при подготовке топлива к сгоранию, наличие локальных зон с недостаточным количеством кислорода;

б) малые значения термодинамических параметров рабочего тела, величина которых определяется в основном техническим состоянием дизеля.

В связи с этим методика корректировки количества продуктов сгорания базируется на известной величине доли сгоревшего топлива, которая для идеальных условий может быть принята равной 0,999 [5]. Согласно элементарному составу топлива в продуктах сгорания корректируется количество углерода (сажи), кислорода, водорода и серы.

Реализация метода равновесного состава возможна при известных эмпирических или теоретических зависимостях а = Хф), Т = Хф), р = Лф), V = У(ф), построенных для всего процесса выгорания топлива. Данные зависимости определяются в результате моделирования рабочего цикла дизеля комбинацией методов Гриневецкого - Мазинга и Вибе [2, 3, 5].

В свою очередь изменение элементарного состава топлива приведет к изменению уравнений равновесия (1) - (5) и к изменению термодинамических параметров процесса выгорания топливной смеси, необходимых для расчета продуктов сгорания различных видов топлива.

Согласно методу Вибе давление и температуру рабочего тела в цилиндре дизеля при выгорании топлива рассчитывают для каждого угла поворота коленчатого вала, полагая, что параметры конца сгорания для /-го угла поворота коленчатого вала соответствуют параметрам начала сгорания для / + 1 угла.

Горючим телом в цилиндре дизеля является смесь какого-либо вида топлива и избыточного кислорода воздуха. Величина коэффициента избытка воздуха в цилиндре дизеля определяется с учетом плотности рабочего тела в конце процесса наполнения, начале процесса сжатия и количества воздуха, теоретически необходимого для полного сгорания единицы используемого вида топлива. Очевидно, что коэффициенты избытка воздуха в цилиндре двигателя при работе на традиционном дизельном топливе и смесевом топливе будут различны по причине отличия газовой постоянной и теоретически необходимого количества воздуха для сгорания единицы топлива.

С мспользованием алгоритмов и комплекса программных средств, разработанных на кафедре «Локомотивы» ОмГУПСа, выполнен расчет термодинамических параметров рабочего

№ 1(21) 2015

ИЗВЕСТИЯ Транссиба

цикла дизеля для различных позиций контроллера машиниста тепловоза и для различных видов топлива.

Для устранения ошибок, которые могут иметь место при использовании численных методов при оценке термодинамических параметров рабочего цикла дизеля, полученные данные аппроксимированы методом наименьших квадратов и зависимости максимального давления сгорания ( Р2, МПа), максимальной температуры сгорания (Т2, К) и коэффициента избытка воздуха (а) от величины среднего эффективного давления рабочего цикла дизеля (Ре, МПа), например, для смеси дизельного топлива и природного газа

Р2 = 2,28Ре2 + 0,133Ре + 4,44;

Т =-767,43р2 + 2176,52Р + 595;

а = 5,41р2-13,63Ре + 9,42.

Существенного отклонения в величине параметров выгорания дизельного топлива, а также дизельного топлива в смеси с различными видами газовых добавок в цилиндре дизеля практически не наблюдается. Так, максимальное отклонение коэффициента избытка воздуха и отклонение давления сгорания не превышают 0,9 % и 10,7 % соответственно, а отклонение температуры сгорания - не более 2,15 %. Поэтому полученные результаты теплового расчета и рассчитанный элементарный состав топлива позволили применить метод равновесного состава для расчета продуктов сгорания в цилиндре дизеля для различных смесевых видов топлива.

Графики изменения количества продуктов сгорания топливных смесей в отработавших газах дизеля по позициям контроллера машиниста тепловоза 2ТЭ70 представлена на рисунке 1.

0,7

с,

г/(кВтч) 0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

а б

Рисунок 1 - Графики изменения количества сажи (С), оксида углерода (СО) (а) и оксидов азота (N0^ (б) в отработавших газах дизеля 2А-5Д49, работающего на смесевых видах топлива: 1 - дизельное топливо;

2 - смесь дизельного топлива и природного газа

4 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 1(21) 2015

1

Очевидно, что доля сгоревшего топлива для каждого режима работы дизеля может быть различна, но в рамках поставленной задачи этим различием можно пренебречь и допустить, что на каждой позиции контроллера машиниста и для каждого вида топлива выгорает 99,9 %. Тогда 0,1 % несгоревшего топлива будет определять количество углерода (сажи) в продуктах сгорания, и в настоящей работе это количество скорректировано с учетом часового расхода топлива дизелем на позиции контроллера машиниста и его элементарного состава.

На основании приведенных зависимостей (см. рисунок 1) можно заключить, что применение в дизельных двигателях смеси жидкого дизельного и газового топлива, будь то природный газ или бутан-пропановая смесь, позволит значительно снизить удельное количество сажи в отработавших газах практически во всем диапазоне нагрузок и уменьшить удельное количество оксида углерода при работе дизеля на средних и высоких нагрузках, что, несомненно, будет способствовать большей полноте выгорания углерода топлива.

На рисунке 2 представлено распределение количества продуктов полного сгорания различных углеводородных видах топлива дизеля 2А-5Д49 по позициям контроллера машиниста тепловоза. Согласно приведенным зависимостям можно утверждать, что применение природного газа или бутан-пропана при реализации газодизельного цикла в дизельных двигателях приведет к снижению удельного количества диоксида углерода (СО2), но в то же время увеличит удельное количество водяных паров (Н20) в отработавших газах.

100 со2, г/

90

80 70

60

50

40

30

0 3 6 9 12 пк 15 0 3 6 9 12 Пк 15

а б

Рисунок 2 - Количество диоксида углерода

Оценивая эффективность конвертирования тепловозных дизелей для работы по газодизельному циклу на базе выполненных теоретических расчетов, опираясь на опыт создания газодизельных двигателей, необходимо отметить, что использование сжатого природного или сжиженного нефтяного газа в качестве топлива для дизельных двигателей приведет к снижению количества продуктов неполного сгорания топлива, что существенно улучшит экономические характеристики дизелей тепловозов. Это особенно важно, если на территори-

№ 1(21) ЛЛИ С ИЗВЕСТИЯ Транссиба 5

=2015

ях локомотивных депо имеются пути отстоя тепловозов, на которых в зимнее время осуществляется прогрев тепловозов на какой-либо позиции контроллера машиниста.

Список литературы

1.Звонов, В. А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания [Текст] / В. А. Звонов. -М.: Машиностроение, 1981. - 159 с.

2. Методы оценки технического состояния, эксплуатационной экономичности и экологической безопасности дизельных локомотивов: Монография [Текст] / Под ред. А. И. Володина. - М.: Желдориздат, 2007. - 264 с.

3. Володин, А. И. Комплексный анализ термодинамических, экономических и экологических характеристик тепловозных дизелей в условиях эксплуатации: Монография [Текст] / А. И. Володин, Е. И. Сковородников, А. С. Анисимов / Омский гос. ун -т путей сообщения. -Омск, 2011. - 166 с.

4. Термодинамические свойства индивидуальных веществ [Текст] / Под ред. Л. В. Гур-вича. - М.: Наука, 1962. - 1480 с.

5. Вибе И. И. Новое о рабочем цикле двигателей [Текст] / И. И. Вибе. - Свердловск: Машгиз, 1962. - 271 с.

References

1. Zvonov V. A. Toxicity of internal combustion engines [Toksichnost'dvigateley vnutrennego sgoranija] / Мoscow, Mashinostroenie, 1981. 159 p.

2. Volodin A. I. Methods of evaluation of technical condition, operational efficiency and environmental safety of diesel locomotives [Metody ocenki tehnicheskogo sostojanijaj ekspluatacionnoj jekonomichnosti i jekologicheskoj bezopasnosti dizel'nyh lokomotivov]. Мoscow: Zheldorizdat, 2007. 264 p.

3. Volodin А. I., Skovorodnikov E. I., Аnisimov A. S. Comprehensive analysis of thermody-namic, economic and environmental performance of diesel locomotive engines in operation [Kom-pleksnyj analiz termodinamicheskih, jekonomicheskih i jekologicheskih harakteristik teplovoznyh dizelej v uslovijah jekspluatacii] Omsk State Transport University. Omsk, 2011. 166 p.

4. Gurvich L. V. Thermodynamic properties of individual substances [Termodinamicheskie svojstva individualnyh veshchеstv]. Мoscow, Science, 1962. 1480 p.

5. Vibe I. I. New on cycle engines [Novoe о rabochem cikle dvigatelej]. Sverdlovsk, Mashgiz, 1962. 271 p.

УДК 621.33

Е. Ю. Дульский, Е. М. Лыткина, А. М. Худоногов

ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРОВ И РЕЖИМОВ ИК-ЭНЕРГОПОДВОДА НА ПРОЧНОСТЬ И ПЛАСТИЧНОСТЬ ИЗОЛЯЦИИ В ЛОКАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ ПРОДЛЕНИЯ РЕСУРСА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ТЯГОВОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

С целью продления ресурса электрических машин тягового подвижного состава была предложена технология восстановления изоляции с использованием энергии инфракрасного излучения, позволившая повысить качество изоляции по показателям пробивного напряжения и твердости. Статья посвящена анализу и оценке экспериментальных исследований, проводимых в двух различных значимых работах по данному направлению. Представлен анализ данных работ в плане отличительных особенностей и выводов по результатам экспери-

6 ИЗВЕСТИЯ Транссиба _№ 1(21) 2015

= _