Введение к работе
Актуальность проблемы. Тепловозные двигатели внутреннего сгорания оказывают существенное влияние на загрязнение окружающей среды, они являются одним из главных источников вредных выбросов, парниковых газов и тепловой энергии, что влечет за собой глобальное потепление климата, возникновение катастрофических экологических ситуаций в различных регионах мира.
В связи с этим в системе проектирования, эксплуатации и ремонта транспортных двигателей разрабатываются различные технические и технологические мероприятия, направленные на улучшение нормативных и эксплуатационных экологических характеристик двигателей.
Для периодического контроля степени экологического воздействия дизельных двигателей на окружающую среду в настоящее время используются газоанализаторы, сажемеры и дымомеры различной конструкции.
Анализ Методов, применяемых в ОАО «РЖД» для оценки количества и агрессивности продуктов сгорания дизельного топлива в тепловозных дизелях, показал
что все экспериментальные методы предназначены для определения количества вредных выбросов (оксидов углерода, оксида и диоксида азота, углеводородов, сажи) в продуктах сгорания топлива;
нормативные значения по концентрации вредных выбросов для различного типа дизелей приведены только для дизельного топлива среднего элементарного состава;
отсутствуют рекомендации по определению количества вредных выбросов и парниковых газов в продуктах сгорания топлива и допустимые экологические характеристики для дизелей, работающих по газодизельному или по газовому циклу;
экспериментальные методы требуют значительных капитальных и эксплуатационных затрат, что сдерживает их широкое применение в системе эксплуатации и ремонта тягового подвижного состава;
отсутствие математической и программной поддержки экспериментальных методов не позволяет использовать их в системе диагностирования тепловозных дизелей.
Для оперативной..и эффективной оценки эксплуатационной экологической безопасности тепловозных дизелей необходимо разработать аналитический метод контроля, в основу которого должны быть положены элементарный состав топлива, термодинамические и экономические парамет-
ре НАЦИОНАЛЬНАЯ.
3 ВНБЛНОТЕКА I
* 9> ЩФ0*4
ры рабочего цикла двигателя для заданной мощности и частоты вращения коленчатого вала.
Работа выполнена в соответствии с федеральной целевой программой «Энергоэффективная экономика на 2002 - 2005 гг. и на перспективу до 2010 г.», утвержденной постановлением Правительства Российской Федерации №796 от 17 ноября 2001 г; программой повышения эффективности работы локомотивного хозяйства на 2005 - 2007 гг, утвержденной ОАО «РЖД» 27 сентября 2004 г. № 893; федеральной целевой программой «Модернизация транспортной системы России», утвержденной постановлением Правительства Российской Федерации 5 декабря 2001 г. № 848; программой фундаментальных и поисковых научно-исследовательских работ ОмГУПСа на 2006 г.
Цель работы - разработка методики для комплексной оценки экологических характеристик тепловозных дизелей по результатам испытаний.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
выполнить анализ методов контроля экологических характеристик локомотивных энергетических установок, используемых в системе ремонта тепловозов для оценки их технического состояния и топливной экономичности;
-
определить состав продуктов сгорания дизельного топлива в цилиндре тепловозного двигателя с учетом термодинамических свойств отдельных химических элементов в продуктах сгорания;
-
разработать алгоритм для расчета термодинамических параметров рабочего цикла дизеля по результатам стендовых испытаний дизелей или реостатных испытаний тепловозов;
-
разработать методику для расчета экологических характеристик тепловозного двигателя, учитывающую термодинамические параметры выгорания топлива в цилиндре двигателя;
-
оценить достоверность результатов расчета экологических параметров тепловозных дизелей, полученных с использованием предложенной методики.
Методы исследования. При проведении исследований использованы методы математической статистики и теории вероятностей, численного решения систем уравнений, планирования эксперимента, оценки значимости коэффициентов регрессии и адекватности математических моделей.
Обработка результатов экологических испытаний тепловозов выполнена в математических средах Excel, MathCAD с использованием персонального компьютера фирмы IBM. Программа расчета экономических, термодинамических и экологических характеристик дизельных двигателей выполнена в среде программирования Turbo Pascal.
Научная новизна диссертационной работы и основные положения, выносимые на защиту.
1. Установлен качественный состав продуктов сгорания углеводородного дизельного топлива состава C + H + S + 0= 1, окисляющегося в цилиндре двигателя воздухом состава N2 + <Э2 = 1.
2 Предложен метод, позволяющий рассчитать количественный состав продуктов сгорания топлива в цилиндре двигателя.
3. Разработан и реализован в программном виде алгоритм расчета продуктов сгорания топлива для заданного режима работы дизельных двигателей.
4 Выбран закон выгорания топлива в цилиндре тепловозного дизеля, предложена методика определения параметров закона.
5. Предложена методика для определения термодинамических параметров рабочего цикла, учитывающая угол опережения подачи топлива в цилиндр двигателя.
Достоверность научных положений и выводов подтверждается результатами
сравнения расчетного количества вредных выбросов и парниковых газов в продуктах сгорания топлива со среднестатистическими, экспериментальными значениями для дизельных двигателей с наддувом, максимальная величина отклонения не превышает 10 %;
аппроксимации экспериментальных индикаторных диаграмм теоретическими зависимостями по разработанной методике расчета термодинамических параметров рабочего цикла дизеля, точность определения максимального давления сгорания и среднего эффективного давления не превышает 5 %.
Практическая ценность работы. Разработанные методики, алгоритмы и программы в полном объеме или частично могут быть использованы
в локомотивных депо ОАО «РЖД» для совершенствования технологии реостатных испытаний тепловозов, в системе диагностирования их дизель-генераторных установок для определения тепловой и динамической напряженности деталей дизеля, оценки экологических характеристик по результатам реостатных испытаний тепловозов, прогнозирования технического состояния и определения остаточного ресурса дизеля;
в научно-исследовательских организациях, занимающихся вопросами проектирования и совершенствования конструкции транспортных двигателей, разработкой технических и технологических решений с целью улучшения технико-экономических и экологических характеристик дизелей серийных конструкций;
в вузах при изучении конструкции, термодинамических и динамических параметров рабочего цикла, технико-экономических, экологических характеристик транспортных двигателей внутреннего сгорания.
Реализация результатов работы. По результатам исследований разработан программный продукт для расчета параметров рабочего процесса и количества продуктов сгорания топлива дизелей маневровых тепловозов серий ТЭМ2 и ЧМЭЗ.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии на предприятиях Западно-Сибирской железной дороги» (Омск, 2001 г.), на международном студенческом семинаре «Актуальные вопросы экологии транспорта» (Омск, 2004 г.), на международной научной конференции «Актуальные проблемы развития транспорта России: стратегические, региональные, технические» (Ростов-на-Дону, 2004 г.).
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано одиннадцать научных работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Работа изложена на 137 страницах основного текста, содержит 48 таблиц, 33 рисунка, список из 98 литературных источников - на 10 страницах, приложение на семи страницах. Общий объем работы составляет 155 страниц.
