Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса, цели и задачи исследования 9
1.1. Основные проблемы токсичности двигателей 9
1.1.1. Основные токсичные компоненты в отработавших газах 11
1.1.2. Нормирование токсичных выбросов 19
1.1.3. Методы решения проблем токсичности 25
1.2. Анализ вопроса использования подачи воды в двигатель 27
1.2.1. Начало использования добавок воды в цилиндры 27
1.2.2. Основные методы добавок воды в двигатель 27
1.2.3. Методы формирования водотопливной эмульсии 32
1.2.4. Использование поверхностно-активных веществ 37
1.3. Влияние добавок воды на характеристики двигателя 38
1.3.1. Анализ результатов добавок воды в цилиндры в виде эмульсии 40
1.3.2. Влияние подачи воды во впускной тракт двигателя 44
1.3.3. Влияние добавок воды на ресурс двигателя 46
1.4. Выводы и задачи исследования 47
2. Теоретические разработки 49
2.1. Обоснование математической модели 49
2.2. Разработка математической модели
2.2.1. Параметры процессов при подаче воды с воздухом 53
2.2.2. Определение параметров процесса сжатия 56
2.2.3. Параметры заряда в зоне топливной струи 60
2.2.4. Аппроксимация переменных функций математической модели 64
Выводы по второй главе 72
3. Расчётные исследования 73
3.1. Программа расчётных исследований 73
3.2. Результаты расчётных исследований
3.2.1. Подача воды с воздухом 78
3.2.2. Подача воды в виде водотопливной эмульсии 82
3.2.3. Влияние конструкции двигателя 83
3.2.4. Влияние нагрузки двигателя 87
3.2.5. Влияние процесса топливоподачи 88
3.2.6. Влияние добавок воды на период задержки воспламенения 92
3.3. Анализ полученных результатов 93
3.3.1. Сопоставление способов подачи воды в цилиндр 93
3.3.2. Ограничения при добавках воды в двигатель 95
3.3.3. Факторы, расширяющие возможность подачи воды 97
3.4. Ожидаемые результаты при подаче воды в реальных условиях 98
выводы по третьей главе 99
4. Экспериментальные исследования 101
4.1. Программа и методика испытаний 101
4.2. Экспериментальная установка
4.2.1. Тормозной стенд 107
4.2.2. Система для подачи воды с воздухом
4.2.2.1. Гидравлическая система 111
4.2.2.2. Электронная система управления 114
4.2.3. Система для подачи воды с топливом 117
4.2.3.1. Оборудование для получения и подачи эмульсии 119
4.2.3.2. Методика получения и контроль качества ВТЭ 121
4.2.4. Приборы контроля измеряемых величин 124
4.3. Отличительные особенности способов подачи воды 127
4.3.1. Организация системы подачи воды в виде эмульсии 127
4.3.2. Организация системы подачи воды на впуск 129
Выводы по четвёртой главе 130
5. Результаты экспериментального исследования на дизеле 131
5.1. Регуляторные характеристики двигателя при добавках воды 131
5.2. Нагрузочные характеристики при подаче воды с воздухом 136
5.3. Нагрузочные характеристики при подаче воды в виде ВТЭ 144
5.4. Анализ полученных результатов
5.4.1. Количество воды, приводящее к прекращению работы двигателя 153
5.4.2. Влияние способа подачи воды на характеристики двигателя 154
5.4.3. Комплексная оценка показателей при подаче воды в цилиндры 161
5.5. Разработка рекомендаций по подаче воды в цилиндры 164
5.5.1. Рекомендации по снижению теплонапряжнности двигателя 165
5.5.2. Рекомендации по обеспечению экологической безопасности 165
5.5.3. Рекомендации по организации систем добавок воды 166
5.5.4. Рекомендации по ограничению количества подаваемой воды 166
Выводы по пятой главе 167
Основные выводы и результаты 169
Список принятых сокращений 171
Список условных обозначений величин 172
Список литературы
- Начало использования добавок воды в цилиндры
- Параметры процессов при подаче воды с воздухом
- Подача воды в виде водотопливной эмульсии
- Система для подачи воды с воздухом
Введение к работе
Актуальность темы. Для сельскохозяйственного сектора наиболее
существенной проблемой является загрязнение окружающей среды
токсичными компонентами отработавших газов (ОГ) дизелей. Тракторные
дизели в большей мере производят такие токсичные компоненты, как сажа и
оксиды азота (NOx). Эти компоненты наиболее опасны для здоровья человека, а
также оказывают негативное воздействие на темпы роста
сельскохозяйственных растений.
Для решения данных проблем в последнее время часто рассматривается
добавка воды в цилиндры двигателя внутреннего сгорания (ДВС) как
эффективный метод, который широко используется в различных отраслях
промышленного и сельскохозяйственного сектора. Также для
сельскохозяйственной техники это наиболее актуально в связи с е сезонным использованием. Добавка воды в цилиндры оказывает охлаждающее воздействие на воздушный заряд. В связи с этим наблюдается значительное снижение выбросов оксидов азота, а также снижение тепловой напряжнности двигателя, что актуально для тракторных дизелей, работающих на режимах высоких нагрузок.
Степень разработанности. Существует два распространнных способа подачи воды в камеру сгорания (КС) – это подача воды в виде водотопливной эмульсии (ВТЭ) и подача воды с воздухом. В опубликованных исследованиях отсутствуют сопоставимые данные по влиянию каждого способа подачи воды на эффективные и экологические показатели двигателя. Это не позволяет отдать преимущества в пользу одного или другого способа, поэтому теоретический анализ и экспериментальная проверка эффективности каждого способа подачи воды по их влиянию на показатели двигателя остается актуальной задачей.
Важность этого вопроса состоит в сопоставлении способа подачи воды в виде ВТЭ и подачи воды с воздухом с точки зрения токсичности ОГ и тепловой напряжнности цилиндров на одном объекте исследования, для того чтобы исключить большое количество других влияющих факторов. Отсутствие подобных расчтных и экспериментальных исследований, а также методик для оценки способов подачи воды в ДВС являются основными факторами для проведения данного исследования.
Цель работы – исследование влияния эффективности повышения экологической безопасности тракторного дизеля различными способами добавки воды.
Задачи исследований:
-
Разработка методики, математической модели и программы для проведения расчтных исследований;
-
Создание экспериментальной установки и оценка способов подачи воды в тракторный дизель;
-
Сравнение способов подачи воды в тракторный дизель по влиянию на эффективные и экологические показатели;
4. Разработка рекомендаций по использованию различных способов подачи воды в тракторный дизель.
Объект исследования – процессы, проходящие в камере сгорания тракторного дизеля Д-120 при добавке воды в цилиндры различными способами.
Предмет исследования – токсичность отработавших газов двигателя, его эффективные показатели и тепловое состояние.
Научную новизну работы составляют:
-
Научный подход к исследованию двух часто используемых способов подачи воды в камеру сгорания тракторных дизелей;
-
Методика расчта и математическая модель, позволяющая теоретически оценить температуру заряда в конце сжатия в зависимости от способа добавки воды;
-
Рекомендации по добавкам воды в цилиндры, разработанные по итогам анализа экспериментальных и теоретических результатов исследований.
Теоретическая и практическая значимость работы. Разработанная математическая модель позволяет без проведения экспериментальных исследований оценить тепловое состояние рабочего заряда тракторного дизеля от воздействия поданной воды различными способами. Создана оригинальная экспериментальная установка для исследования подачи воды в цилиндры двумя различными способами. Показано различие между двумя способами подачи воды по влиянию на токсичность ОГ и тепловое состояние ДВС. Результаты теоретического и экспериментального исследований решают вопрос выбора способа и количества подачи воды. Разработанные рекомендации по способам подачи воды в КС позволяют повысить эффективность их применения в реальных условиях эксплуатации сельскохозяйственной техники.
Методология и методы исследования. Исследования основаны на
анализе опубликованного материала по факторам, влияющим на экологическую
безопасность сельскохозяйственных машин, разработке и моделировании
основных процессов, влияющих на образование токсичных компонентов при
подаче воды в цилиндры двигателя, экспериментальной проверке
эффективности использования распространенных способов подачи воды на показатели экологической безопасности.
Положения, выносимые на защиту:
-
Разработанные методики, математические модели и программа для проведения расчтных исследований;
-
Экспериментальные установки и оценка способов подачи воды в тракторный дизель;
-
Сравнение способов подачи воды в тракторный дизель по влиянию на эффективные и экологические показатели;
-
Разработка рекомендаций по использованию различных способов подачи воды в тракторный дизель.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность теоретических результатов работы обеспечивается за счт соблюдения фундаментальных законов термодинамики и физики, применения современных
компьютерных программ для обработки данных и оценки полученных
зависимостей по коэффициенту корреляции. Достоверность
экспериментальных результатов обеспечивается посредством соблюдения условий и методики испытаний, а также оценкой погрешности измерений.
Основные положения диссертационной работы обсуждались на следующих мероприятиях:
-
Региональная конференция, посвящнная 110-летию академика ВАСХНИЛ В.Н. Болтинского. РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева. 2014г.
-
Семинар «Чтения академика ВАСХНИЛ В.Н. Болтинского». РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева. 18 янв. 2015г.
-
Международная научная конференция молодых учных и специалистов, посвящнная 150-летию РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева. 2-3 июня 2015г.
-
Международная научная конференция «Аграрное образование и наука в 21 веке: вызовы и проблемы развития». 11 ноября 2015г.
-
Семинар «Чтения академика ВАСХНИЛ В.Н. Болтинского». РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева. 19 янв. 2016г.
-
Всероссийская научно-техническая конференция по автоматическому управлению и регулированию теплоэнергетических установок. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Заседание № 91. 27 янв. 2016г.
Результаты диссертации внедрены в научную и учебную работу ФГБНУ ВИМ и ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева.
Личный вклад автора. Лично автором диссертационной работы:
-
Разработана методика расчта и математическая модель;
-
Проведены расчтные исследования и их анализ;
-
Разработана экспериментальная установка с системами подачи воды в двигатель различными способами;
-
Разработана методика экспериментальных исследований;
-
Проведены экспериментальные исследования с добавками воды в ДВС и их анализ;
-
Разработаны рекомендации по добавкам воды в тракторный дизель.
Публикация результатов исследований. Основные результаты
диссертации изложены в 6 печатных работах, из них 4 работы опубликованы в рецензируемых журналах и изданиях, входящих в перечень ВАК РФ.
Структура и объм диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературных источников и приложений. Список литературы содержит 112 наименования, из которых 15 относятся к иностранным источникам. Работа изложена на 183 страницах, в которой содержится 58 рисунков, 23 таблицы и 2 приложения.
Начало использования добавок воды в цилиндры
Наибольшую опасность для окружающей среды представляют лгкие газообразные углеводороды, различные органические газы, такие как: метан, бутан, пропан и.т.п. Метан занимает наибольшую долю из них. В бензиновых ДВС доля метана может составлять 14…58% от всех углеводородных соединений, а в дизельных несколько меньше из-за большего количества кислорода в цилиндре и составляет 2…6% [8]. К более тяжлым углеводородным соединениям можно отнести полиароматические углеводороды (ПАУ), значительное количество которых содержится преимущественно в бензиновых двигателях. Основным элементом для ПАУ служит устойчивое бензольное кольцо С6Н6, из которого могут образоваться соединения с другими углеводородными элементами. В ОГ может содержаться свыше 20 различных видов ПАУ [11]. К основным токсичным производным из бензола, относящимся к полиароматическим углеводородным соединениям относятся: фенантрен, бензофлоурантен и бензапирен, являющийся более токсичным и стабильным веществом [18]. Содержание бензопирена в дизелях может достигать 0,001% и в бензиновых ДВС 0,02% [19]. 3) Монооксид углерода. Основными причинами образования монооксида углерода, имеющего химическую формулу СО, также называемого угарным газом, являются некоторый недостаток окислителя в области горения смеси, а также диссоциация углекислого газа при воздействии высокой температуры. Созданный монооксид углерода в процессе реакций может догореть, образуя двуокись углерода. В бензиновых двигателях содержание компонента СО значительно превышает концентрацию в ОГ дизельного двигателя. Это связано с тем, что бензиновый ДВС работает на более богатых смесях 1 в отличие от дизеля 1, поэтому при избытке кислорода в дизельном двигателе содержание СО доходит до 0,4…0,5% по сравнению с бензиновым двигателем, для которого концентрация СО может достигать 12% на мощностном режиме [11].
Монооксид углерода является нестабильным элементом, поэтому он окисляется до углекислого газа как правило в течение 42 месяцев. До времени преобразования в углекислый газ, СО представляет угрозу для окружающей среды. Угарный газ обладает опасным токсическим воздействием на живые организмы и способен вызвать серьзное отравление у человека. 4) Альдегиды. Альдегидами являются вредные вещества, содержащие CHO группу. Они образуются, как правило, при сравнительно низких температурах на режиме малых нагрузок или при прогреве ДВС. Содержание альдегидов может составлять до 240 мг/м3 в бензиновых двигателях и 30 мг/м3 в дизелях [8]. К наиболее опасным альдегидам относятся формальдегид HCHO и акролеин CH2CHCHO. Но при таких незначительных выделениях альдегиды представляют меньшую опасность по сравнению с основными токсичными веществами. Однако их воздействие может спровоцировать онкологические заболевания, вызвать нарушение половой системы человека, а также дефекты у новорожденных детей [1].
К второстепенным продуктам сгорания можно отнести остальные элементы, являющиеся побочными продуктами сгорания, образованными из неорганических атомов, которые содержатся в топливах, маслах, различных присадках, а также вступающие в химические реакции атомы деталей двигателя.
Основную массу из второстепенных продуктов сгорания образуют оксиды серы SOх, а также на е основе различные соли, являющиеся тврдыми частицами. При этом 97% от объма всех оксидов серы занимает двуокись серы SO2 [11]. Оксиды серы являются побочным продуктом сгорания из-за присутствия серы в топливе в виде соединений с углеводородными радикалами, сероводорода или атомарной серы. При этом в дизельном топливе содержание серы составляет до 0,2%, что практически в 4 раза больше по сравнению с бензином марок АИ-95, АИ-98, где количество серы составляет до 0,05% [20]. Большинство соединений с серой в ОГ является токсичными веществами, оказывающими губительное воздействие на основные жизненные функции человека. Оксиды серы, вступив в реакцию с водой или гидроксидной группой, могут образовать серную или сернистую кислоты, вызвав раздражение лгочных и бронхиальных тканей, а также нанести существенный вред окружающей среде. При сравнимо малых концентрациях в окружающей среде порядка 0,001% диоксид серы способен причинить серьзный вред дыхательным органам, а при концентрации в 10 раз выше привести к летальному исходу в течение минуты [19].
Кроме оксидов серы в ОГ могут наблюдаться свинцовые соединения, относящиеся также к тврдым частицам. Свинец может содержаться только в бензине в небольшом количестве как присадка антидетонационного воздействия в виде тетраэтилсвинца Pb(C2H5)4. При содержании в ОГ он оказывает негативное влияние на окружающую среду, почву и является кумулятивным металлом, наносящим вред живым организмам.
Продуктами реакции окисления азота являются различные молекулярные структуры с варьируемым количеством атомов азота и кислорода NyOx, токсичность которых превышает монооксиды углерода примерно в 10 раз. Наибольшее количество занимает монооксид азота (NO), содержание которого в ОГ относительно остальных азотистых образований для бензиновых ДВС составляет около 99%, а в дизелях 90% [21]. В цилиндре двигателя в реакцию окисления может вступить как азот, поступивший с воздухом, так и находящийся непосредственно в топливе [22]. Оксиды азота содержатся в большом количестве преимущественно в ОГ дизельного двигателя, так как он работает на более бедных смесях, чем бензиновый ДВС, следовательно, большее количество атмосферного азота вступает в реакцию окисления.
Параметры процессов при подаче воды с воздухом
Температура в зоне топливной струи с учетом ее снижения от испарения поданного топлива и воды находится по зависимости: Тст=Тс- Тст,[К] (2.40) где: Тс - температура заряда в конце сжатия, К. Зная температуру в зоне струи до начала воспламенения смеси, можно вычислить период задержки воспламенения. Известно, что период задержки воспламенения зависимая от температуры функция [16,82,83].
Период задержки воспламенения рассчитывается по известной зависимости, полученной в другом исследовании [88]. По результатам данных исследований формула для определения периода задержки воспламенения следующая: где: Тc – температура заряда в топливной струе, К; Рс - давление с конце процесса сжатия, Па; R - универсальная газовая постоянная, R = 8,314 Дж/мольК; Е - условная энергия активации топлива, Дж/моль. Для ДТ Е = 4000…6800 кал/моль.
Таким образом, математическая модель состоит из приведнного алгоритма расчта, с помощью которого возможно теоретически оценить влияние добавок воды при различных количествах и способах е подачи в цилиндры дизеля.
Аппроксимация функций по справочным данным необходима для упрощения расчтов и систематизации математической модели. Из ряда данных составляется функциональная зависимость, которая в дальнейшем может быть использована для автоматизации расчтов. Для аппроксимации сложных функций используется компьютерная программа "findgraph" [89].
Удельная изобарная тепломкость воздуха определяется по справочным данным [86,90]. Аппроксимируя данные по функции ср =/(т), где Т - температура воздуха, образуется зависимость: (x+ +z-ЩТ)) г п . СР=Є Т tel (242) где: х, у, z - расчтные вспомогательные коэффициенты. Для того чтобы найти комплексную зависимость тепломкости от температуры и давления, необходимо ввести ещ переменную давления - Р. Она выражается через коэффициенты х, у и z как x,y,z = f(p). Аппроксимируя функцию по коэффициентам, получается зависимость: где: Р – давление воздуха, МПа; Т – температура воздуха, К; значения для коэффициентов приведены в таблице 2.2. Коэффициент корреляции при этом R = 0,96 в диапазоне P = 0,1..10МПа, Т = 110...2000К. Таблица 2. Значения коэффициентов для формулы 2.43 a -1,4617557 d 61,608534 h 0,011020148 ь 8,815896810–2 / 0,11212472 і -1,0930493 с 8,6949903 10–4 g 0,2208446 j 12,274379 Из справочных данных взяты значения давления и температуры воды на линии насыщения [91]. Полученная функция предельного парциального давления насыщенного парами в зависимости от температуры воды: Т – температура воды, С; численное значение коэффициентов приведено в таблице 2.3. Коэффициент корреляции при этом R = 0,99, в диапазоне Т = 0...400С.
Максимальная абсолютная влажность воздуха fmax изменяется в зависимости от его температуры – Т, и определяется по общепринятой диаграмме Марье или справочным данным [92,93]. Исходя из данных значений, путм аппроксимации получена функция максимальной абсолютной влажности: 20065- 261,571-Г + Г2 где: T - температура воздуха после насыщения водой, С Коэффициент корреляции при этом R = 0,98, в диапазоне Т = -10...1000С.
Изобарная теплоёмкость воды зависит от её температуры и давления, ср = f[T, Р). Она имеет различные тенденции изменения при жидком и газообразном состоянии. Поэтому нахождение функции теплоёмкости воды происходит в несколько этапов по справочным данным [86]. В начале определяется функция, описывающая теплоёмкость для жидкого состояния, от давления і3: где: х,у - коэффициенты, зависимые от температуры воды Т. Таким образом, можно найти полную функцию от давления и температуры, учитывая что
Подставляя в уравнение 2.46 значения переменных 2.47 и 2.48 получится функция тепломкости воды для жидкого состояния в зависимости от давления воды Р и температуры Т: где: Р - давление воды, бар; Т - температура воды, С Коэффициент корреляции при этом R = 0,96, в диапазоне Р = 0,1..12МПа, Т = 0...400С. Функция, которая наиболее точно описывает зависимость ср от температуры Гпри парообразном состоянии следующая: x+—+z-ln(T) ср=е (2.50) где: х, у, z - расчтные вспомогательные коэффициенты. Необходимо найти зависимость этих коэффициентов от давления Р, чтобы сделать зависимой от него общую функцию тепломкости. Для этого к коэффициентам подбирается функция, которая наиболее точно описывает данные: х = -0,74842106 - ОД 758165 Р - 2,4220329 10"4 Р2 (2.51) у = 34,921629 +14,456658 Р + 0,029095541 Р2 (2.52) z = 0,23139508 + 0,023799444 Р + 3,0467444 10"5 Р2 (2.53) Однако зависимость 2.50 обладает недостатками. Существуют значения температуры Т, при которых функция стремится к бесконечности или не
Подача воды в виде водотопливной эмульсии
Наиболее значимыми факторами за исключением количества поданной воды являются температура воздуха на впуске Тв и коэффициент избытка воздуха . Исходя из предельной абсолютной влажности воздуха fmax, было рассмотрено количество воды, которое способно испариться при различных условиях (Рисунок 3.4). В ходе расчтного исследования выявлен рост в.мах с увеличением температуры воздуха на впуске Тв. При малой нагрузке ДВС = 6 испаряется большая доля воды, чем при высокой при = 1 и = 2. На низких нагрузках при = 6 в диапазоне температуры Тв 270...300К наблюдается рост в.мах от 34% до 190%. На высоких нагрузках при = 1 предельная концентрация воды в.мах составляет 190% только при Тв = 333К, что выше на 33К, чем при малых нагрузках. Рисунок 3.4 – Предельная масса испаряемой в воздухе воды, зависимая от температуры воздуха на впуске коэффициента избытка воздуха, и предельная абсолютная влажность сухого воздуха.
При высоких нагрузках начальная точка в.мах также снижается на 15...20% по абсолютной величине. Повышенная концентрация при малых нагрузках связана с тем, что в данном режиме цикловая подача топлива снижается, поэтому снижается и количество воды, при неизменном е соотношении с массой топлива. Для испарения меньшего количества воды требуется меньше энергии, так при = 6 и Тв = 300К доля воды в.мах составляет 190%, а при = 1 и Тв = 300К доля испарившейся воды составит в.мах = 36%.
Таким образом, если вода не испаряется на впуске, то охлаждение будет совершаться только из-за изменения тепломкости, кроме того, подавать е с воздухом не имеет смысла до определнной концентрации, так как она может попасть в цилиндр в жидкой фазе и нарушить смазочные свойства. Для данного двигателя Д-120 по другим исследованиям это значение составляет 140% [81]. 3.2.2. Подача воды в виде водотопливной эмульсии
При подаче воды в виде ВТЭ следует учитывать, что она не оказывает никакого влияния на температуру заряда в объме КС в конце сжатия, так как это было изначально заложено в алгоритм расчта. В связи с этим имеет смысл рассматривать только температуру заряда в зоне струи Тст.
Как видно из графика функции, тенденция падения температуры Тст (Рисунок 3.5) как и при подаче воды с воздухом аналогична. Однако в случае с подачей воды в виде ВТЭ рассматривается е полное испарение.
Из характеристики (Рисунок 3.5) следует, что температура заряда в зоне струи снижется при увеличении дозы воды т. Эта закономерность соблюдается при различных температурах воздуха на впуске Тв. Значение температуры Тв влияет на дальнейшее изменение температуры и начальное различие по температуре Тв сохраняется и в дальнейшем, так при Тв = 290 начальная температура Тст = 775К, а при Тв = 310К начальная температура Тст = 840К, с разницей в 65К. Эта разница соблюдается на всм диапазоне исследования температуры, а также и для Тст при Тв = 330К, весь диапазон температур Тст увеличен на 65К относительно Тст при Тв = 310К. За рассматриваемый диапазон подачи воды в температура заряда в зоне струи плавно падает с 895К до 600К при Тв = 330К с разницей в 295К. Такая же разница при Тв = 310К и Тв = 290К. Следует отметить, что тенденция снижения при данном способе подачи воды слабее, чем при подаче воды с воздухом на 105К, что ниже практически на 25%. Исходя из температуры самовоспламенения топлива Тм, имеет смысл подавать ВТЭ до т = 68% и при Тв = 290, до т = 88% при Тв = 310К. При т = 100% при Тв = 330К температура Тст не пересекает линию температуры самовоспламенения Тм с разрывом 27К.
Геометрическая степень сжатия является исходным параметром, заложенным в математическую модель, и относится к конструктивным параметрам ДВС. Степень сжатия согласно формуле 2.16 показывает, во сколько раз уменьшается объм в цилиндре при полном ходе поршня. В связи с этим следует, что температура заряда на момент подачи топлива в КС Тс и в зоне топливной струи Тст увеличивается с увеличением степени сжатия (Рисунок 3.6).
При в = 30%, т = 0% и увеличении степени сжатия от 13 до 18 температура конца процесса сжатия заряда в КС Тс возрастает с 761К до 847К с общим ростом на 86К. Схожая тенденция и для температуры заряда в КС Тс при в = 0% и т = 0%, которая возрастает с 896К до 1002К с общим ростом на 106К, что на 20К больше, чем при температуре заряда Тс с подачей воды с воздухом в = 30%. Разница между температурами Тс в начале исследуемого диапазона при = 13 составляет 135К, а в конце при = 18 имеет значение 155К, что больше предыдущего на 20К.
Система для подачи воды с воздухом
Тормозной стенд является основной составляющей частью экспериментальной установки, и необходим для того, чтобы загрузить ДВС моментом сопротивления до заданного уровня. Испытательный стенд является электрической обратимой машиной постоянного тока, обладающей максимальной мощностью 125 кВт. Корпус электродвигателя закреплн с основанием через подшипник, поэтому он имеет степень свободы, и при нагрузке передат крутящий момент, фиксируемый весовым механизмом. Весовой механизм также оснащн демпфирующим механизмом для сглаживания колебательного процесса.
Электрическая балансирная машина работает в паре с двигателем Д-120, соединнные между собой демпфирующей муфтой (Рисунок 4.2). Электродвигатель позволяет, как прокручивать, так и тормозить испытуемый ДВС в зависимости от режима его работы.
Режим работы дизельного двигателя настраивается тягой управления регулятора ТНВД. В зависимости от внешнего момента сопротивления при постоянной частоте вращения n ДВС выходит на установившийся режим работы. Частота вращения задатся на панели управления тормозным механизмом (Рисунок 4.3) и обладает обратной связью, таким образом, при изменении нагрузки частота вращения n не изменяется от заданной. На приборной панели стенда имеются индикаторные головки для отображения фиксируемой частоты вращения, крутящего момента, вольтамперных характеристик (ВАХ) тормозящего электромотора и вспомогательного унформерного оборудования.
При заданной программе экспериментальных исследований данный тормозной стенд обеспечивает требуемые режимы испытаний. Рассматриваемая установка является стандартизованной заводом изготовителем и соответствует условиям проведения испытаний по ГОСТ 18509-88 [97]. Система для подачи воды на впуск разработана для выполнения заданных условий подачи. Они заключаются в том, что вода должна быть подана в определнный момент времени, в заданном количестве, при этом обеспечивая распыл во впускной тракт с одинаковой равномерностью по цилиндрам. При этом параметры момента подачи воды и е количество за цикл должны регулироваться.
Разработанная система (Рисунок 4.4) соответствует данным требованиям и использовалась для проведения экспериментальных исследований. Система активируется подведением сетевого питания на электронный блок управления (ЭБУ) 8. После этого включается электропитание насоса подачи воды 10, который начинает создавать давление в системе более 3-х бар, затем регулятор давления 11, обеспечивает стабильное давление 3 бара. Рисунок 4.4 – Принципиальная схема общего вида системы для подачи воды во впускной тракт ДВС, где: 1 – впускной коллектор; 2 – электрические форсунки для подачи воды; 3 – ТНВД; 4 – диск с прорезью; 5 – оптический щелевой датчик; 6 – панель управления режимом работы форсунок; 7 – осциллограф; 8 – ЭБУ; 9 – водный насос; 10 – мкость с водой; 11 – регулятор давления; 12 – фильтрующий элемент; 13 – манометр. При открытии электромагнитных форсунок 2 сигналами, подведнными с ЭБУ 8, жидкость в системе начинает двигаться от насоса 9 к фильтрующему элементу 12. Затем вода после прохождения через фильтр 12 поступает к форсункам 2, при этом давление в системе регистрируется манометром 13. Момент впрыска воды какой-либо форсункой 2 определяется по оптическим щелевым датчикам 5, которые срабатывают каждый раз при прохождении через них метки на вращающемся диске 4. Положение метки на диске 4 настраивается таким образом, чтобы при срабатывании датчика форсунка 2 совершала впрыск при открытии соответствующего впускного клапана. Диск 4 устанавливается на вал ТНВД из-за необходимости контроля частоты вращения меньшей в 2 раза, чем коленчатого вала. Сигнал с датчика 5 поступает в ЭБУ 8, затем в нм генерируется сигнал заданной протяженностью для открытия соответствующей каждому датчику форсунки 2.
Продолжительность открытия форсунки, которая влияет на количество поданной воды, задатся блоком управления 6, также он позволяет отключить любую из форсунок. Для фиксации периода открытия форсунок 2 используется осциллограф 7.
Гидравлическая система для подачи воды с воздухом для проведения экспериментальных исследований оборудована на испытуемый двигатель Д-120 (Рисунок 4.5). Насос, который подат воду в систему, имеет характеристики, приведнные в приложении А, при этом регулятор давления стравливает часть воды, устанавливая давление в системе 3 бара, которое выбрано исходя из рекомендуемого давления используемых форсунок. Форсунки герметично установлены на впускном коллекторе в специально изготовленные отверстия и подтянуты пружинами для лучшей фиксации. Для экспериментальных исследований использовалась дистиллированная вода, соответствующая ГОСТ 6709-72 [102]. Для е очистки от крупных частиц используется фильтр марки GB-206. Так как количество поданной на впуск воды задатся посредством изменения периода открытия форсунки, необходимо определить зависимость расхода воды через форсунки от длительности подаваемого на нее электрического импульса.