Диссертация (1026340), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Распределение топлива поотдельным зонам определяется с учетом динамики топливной струй ивихревого движения воздуха. В каждой зоне моделируются процессыиспарения и сгорания топлива, а также тепловыделения. Учитываютсякондуктивный, конвективный и радиационный теплообмен между отдельнымизонами и участками поверхности камеры сгорания, а также массообмен междуотдельными зонами. Пример реализации: программа MZM, разработанная вМГТУ им. Н.Э. Баумана [5].Заметим, что нульмерные термодинамические модели, в которыхиспользуются двух или трехмерные модели струй топлива, называют такжефеноменологическими.
При этом используются различные модели струйтоплива, например модели Хироясу (Hiroyasu) [7] или А.А. Скрипника [6].Нульмерные модели отличаются высокой скоростью счёта, что особенноважно при оптимизации индикаторных параметров двигателей. Основнаяобласть применения нульмерных моделей: моделирование скоростных инагрузочных характеристик ДВС, определение индикаторных и эффективныхпараметров, оптимизация некоторых конструктивных и режимных параметровдвигателей; при этом определение параметров токсичности носит скореекачественный, а не количественный характер.3.
Трёхмерные. Основаны на методах вычислительной гидродинамики(CFD). Наиболее точная, но ресурсоёмкая модель. Решается система уравненийколичества движения (Навье-Стокса), энергии (Фурье-Кирхгофа), диффузии(Фика) и сохранения массы (неразрывности), как правило, в форме Рейнольдса.Трёхмерные модели позволяют получить пространственное распределениепараметроврабочеготела,чтоувеличиваетточностьмоделированияпараметров токсичности и теплообмена.Для решения обобщённой системы уравнений используются следующиеметоды [8]: Метод контрольных объёмов (МКО), Метод конечных разностей15(МКР), Метод конечных элементов (МКЭ), Метод Крупных Частиц (МКЧ),Метод Распада Произвольного Разрыва (МРПР), Метод Характеристик (МХ).Наибольшее распространение получил МКО, предложенный Патанкароми Сполдингом [9], основанный на записи уравнений в интегральной форме длякаждого контрольного объёма.
Из интегральных уравнений получаютсядискретныеаналоги,составляющиесистемулинейныйалгебраическийуравнений, решаемую итерационным путём. На методе контрольных объёмовосновано большое количество программных комплексов, в том числесозданных специально для расчёта ДВС: FIRE (AVL LIST GmbH) [10],VECTIS (Ricardo) [11], KIVA (Лос-Аламосская национальная лаборатория) [12].В настоящее время CFD получает всё большее распространение длярасчёта внутрицилиндровых процессов (в том числе, сгорания и образованиявредных веществ) [13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25] игазообмена [13, 8, 26, 27, 28] в ДВС.
Кроме того результаты трёхмерногомоделирования можно использовать для расчёта теплового состояния деталейкамеры сгорания [20, 29, 30].1.2. Нормирование выбросов вредных веществ с отработавшими газамидизелейНормируются выбросы оксидов азота (NOx), углеводородов (CH),оксидов серы (SOx), аммиака (NH3), угарного газа (CO) и твёрдых частиц (PM).В последнее время также много внимания уделяется углекислому газу (CO2) всвязи с глобальным потеплением и соглашениями о климате, подписанными втом числе Россией: Киотском протоколе и Парижском соглашении 2015 года.Для снижения выбросов CO2 может применяться новые виды топлива, либоувеличение КПД.Россия. Токсичность отработавших газов среднеоборотных дизелей вРоссийской Федерации регулируется ГОСТР 51249-99 [31].
Требования квыбросам вредных веществ приведены на Рис. 1.1. Нормы на выбросы оксидов16азота для судовых двигателей зависят от n: при n ≤ 130 мин-1: 17 г·кВт-1·ч-1; при130 < n ≤ 2000мин-1: 45·n-0.2 г·кВт-1·ч-1; при n > 2000 мин-1: 9.8 г·кВт-1·ч-1.Рис. 1.1. Нормы токсичности для среднеоборотных двигателей (Россия)Нормы для тепловозных дизелей. Современные нормы токсичности длятепловозных двигателей действующие в США [32] и Европе [33] приведенына Рис. 1.2. В США также действуют нормы по дымности отработавших газов.Испытательные циклы приведены в ISO 8178(ГОСТ ISO 8178-4-2013[34]).Рис.
1.2. Нормы токсичности для тепловозных двигателей (США)17Международные стандарты для судовых дизелей. МеждународныестандартыдлясудовыхдизелейвведеныМеждународнойморскойорганизацией (International Maritime Organization, IMO) [35]. Действуют в зонахконтролируемых выбросов (Emission Control Area, ECA) [33]:• Балтийское море (SOx);• Северное море (SOx);• North American ECA, включая большую часть побережья США и Канады(NOx и SOx);• US Caribbean ECA, включая Пуэрто-Рико и Виргинские острова (NOx иSOx).Ограничения на выбросы NOx согласно MARPOL Annex VI приведены наРис. 1.3 [33].Рис. 1.3. Стандарт MARPOL Annex VI NOx (IMO Tier)MARPOL Annex VI также регулирует содержание серы в топливе (SOxECA 0.1% с 2015, остальные воды: 3.5% с 2012, 0.5% - с 2020).18Циклы испытаний по ISO 8178(ГОСТ ISO 8178-4-2013[34]).Нормы США для судовых дизелей.
Судовые двигатели в США делятсяна 3 категории по рабочему объёму цилиндра (Таблица 1).Таблица 1.Категории судовых двигателей в СШАКатегорияРабочий объём цилиндра (Vц)Базовые двигателиTier 1-2Tier 3-41Vц < 5 л (Ne≥ 37 кВт)Vц < 7 лВнедорожные25 л ≤ Vц < 30 л7 л ≤ Vц < 30 лТепловозныеVц ≥ 30 л3МорскиеДля двигателей, мощность которых не представлена в стандартах Tier 3или Tier 4, продолжают действовать Tier 2 или Tier 3, соответственно.Стандарты Tier 3 и Tier 4 для дизелей морских судовых дизелейкатегорий 1 и 2 представлены в Таблицах 2 и 3.Таблица 2.Стандарт Tier 3 для дизелей морских судовых дизелей категорий 1 и 2Мощность(Ne)Рабочий объёмцилиндра (Vц)NOx+HC†PMкВтл /цилиндрг/кВт·чг/кВт·ч7 ≤ Vц < 156.20.14201315 ≤ Vц < 207.00.27a201420 ≤ Vц < 259.80.27201425 ≤ Vц < 3011.00.272014Ne < 3700ДатаОпционно: Tier 3 PM/NOx+HC at 0.14/7.8 g/kWh в 2012, и Tier 4 в 2015.† Стандарт Tier 3 NOx+HC не применяется для двигателей мощностью 20003700 кВт. a - 0.34 g/kWh для двигателей мощностью меньше 3300 кВт.19Таблица 3.Стандарт Tier 4 для морских судовых дизелей категорий 1 и 2Мощность (Ne)NOxHCPMкВтг/кВт·чг/кВт·чг/кВт·ч1.80.190.12a20141.80.190.0620162000 ≤ Ne < 37001.80.190.0420141400 ≤ Ne < 20001.80.190.042016600 ≤ Ne < 14001.80.190.042017Ne ≥ 3700Датаa - 0.25 г/кВт·ч для двигателей рабочим объёмом 15-30 л/цилиндр.Кроме того, действуют стандарты на CO для двигателей категорий 1 и 2,для которых действует стандарты Tier 3 и Tier 4 (Таблица 4).Таблица 4.Стандарты на CO для двигателей категорий 1 и 2Мощность (Ne)COкВтг/кВт·чNe < 88.08 ≤ Ne < 19 кВт,6.619 ≤ Ne < 375.5Ne ≥ 375.0Испытательные циклы для судовых и тепловозных дизелей регулируютсяISO 8178(ГОСТ ISO 8178-4-2013[34]).Нормы для внедорожных дизелей.
США. Кроме судовых, тепловозных,двигателей для подземного горнодобывающего оборудования (регулируетсяMSHA) и Hobby engines (для рабочего объёма ниже 50 см3).Стандарт Tier 4 для двигателей мощностью более 560 кВт, г/кВт·чприведён на Рис. 1.4.20Рис. 1.4. Стандарт Tier 4 для двигателей более 560 кВт, г/кВт·чДля дымности сохраняются стандарты Tier 2-3. Освобождаются от нормдымности двигатели сертифицированы на нормы PM не выше 0,07 г/кВтч(поскольку эти двигатели изначально характеризуются низкой дымностью).Применяются станционарные циклы по ISO 8178 (ГОСТ ISO 8178-42013[34]).Стандарты для судовых дизелей. Европа. Стандарт Stage III A длясудовых дизелей, предназначенных для внутренних вод, приведены вТаблице 5.
Для этих двигателей не существует стандартов Stage III B и StageIV [33]. Планируемый к введению начиная с 2019 года стандарт Stage V (длямаршевых двигателей мощностью от 37 кВт и вспомогательных от 560 кВт)приведён в Таблице 6.Испытательные циклы приведены в ISO 8178 (ГОСТ ISO 8178-42013[34]).21Таблица 5.Стандарт Stage III A для судовых дизелей, предназначенных для внутреннихвод.КатегорияРабочий объём цилиндра (Vц)лV1:1Vц ≤ 0.9, Ne > 37 кВтV1:20.9 < Vц ≤ 1.2V1:3COДатаHC+NOxPMг/кВт·ч5.07.50.405.07.20.301.2 < Vц ≤ 2.55.07.20.20V1:42.5 < Vц ≤ 55.07.20.20V2:15 < Vц ≤ 155.07.80.27V2:215 < Vц ≤ 20, Ne ≤ 3300 кВт5.08.70.505.09.80.5020072009V2:315 < Vц ≤ 20, Ne > 3300 кВтV2:420 < Vц ≤ 255.09.80.50V2:525 < Vц ≤ 305.011.00.50Таблица 6.Планируемый к введению стандарт Stage V для судовых дизелей,предназначенных для внутренних вод.КатегорияМощностькВтДатаCOHCaNOxPMг/ кВт·чPN1/ кВт·чМаршевые двигатели — категория IWPIWP-v/c-137 ≤ Ne < 7520195.004.70b0.30b-IWP-v/c-275 ≤ Ne < 13020195.005.40b0.14-IWP-v/c-3130 ≤ Ne < 30020193.501.002.100.11-IWP-v/c-4300 ≤ Ne < 100020203.500.191.200.021×1012IWP-v/c-5Ne ≥ 100020213.500.190.400.011×101222Таблица 6 (продолжение).Планируемый к введению стандарт Stage V для судовых дизелей,предназначенных для внутренних вод.Вспомогательные двигатели — категория IWAIWA-v/c-1560 ≤ P < 100020203.500.191.200.021×1012IWA-v/c-2P ≥ 100020213.500.190.400.011×1012aA = 6.00 для газовых двигателей.
b HC + NOx1.3. Методы снижения концентрации вредных веществ в отработавшихгазах дизелейОптимизацияконструктивныхирежимныхпараметров.Оптимизация конструктивных и режимных параметров: степени сжатия, углаопережения впрыскивания топлива, фаз газораспределения, формы камерысгорания, вихревого числа, характеристики впрыскивания и других [36]. Приэтом, как правило, возникает конфликт целей: снижение оксидов азотаприводит увеличению расхода топлива и выбросов сажи и наоборот.
Тольколишьоптимизациейконструктивныхирежимныхпараметровнельзядостигнуть современных высоких норм токсичности. Также стоит отметить,чтооптимизация большинства конструктивных параметров не требуетустановки дополнительных агрегатов на двигатель (таких как системыпостобработки, охладители отработавших газов и другие), но требует большогоколичества работы по расчётной и экспериментальной оптимизации; крометого, может приводить к большим затратам при выполнении в процессемодернизации двигателя.Перспективные рабочие процессы. Один из наиболее перспективных:Homogeneouschargecompressionignition(HCCI).Представляетсобойвоспламенение от сжатия гомогенной смеси.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
