CC BY
15
академша В. Лазаряна. - Вип. 8. - Дншропетровськ: Дншропетр. нац. ун-т залiзн. трансп. iM. акад. В. Лазаряна. - 2005. - С.138-141.
5. Дмитриев Д.В. Портативный измерительно-вычислительный комплекс для испытаний механической части ж.-д. подвижного состава// Пщйомно-транспортна техшка. - 2004. - №4. - C.94-105.
УДК 662.76
Грицук 1.В., к.т.н. (Дон1ЗТ) АдровД.С., астрант (ДонНАБА) Вербовський В.С., с.н.с. (1нститут Газу НАН Украти)
ОСОБЛИВОСТ1 МАТЕМАТИЧНОГО МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕС1В ТЕПЛООБМ1НУ В ДОСЛ1ДЖЕННЯХ РОБОТИ ДВИГУН1В ВНУТР1ШНЬОГО ЗГОРАННЯ З УТИЛ1ЗАЩеЮ ТЕПЛОТИ IX
В1ДПРАЦЬОВАНИХ ГАЗ1В
Вступ. На сьогодення в усьому свт проектування й доведення теплоенергетичних установок з ДВЗ i !х систем не мислиться без виконання дослщжень, що включають в себе як експериментальш так i розрахунковi методи.
Експериментальнi методи дають можливiсть визначати дiйснi показники двигуна, що мають мiсце в реальних умовах експлуатацп, тому отриманi результати вважаються найбiльш достовiрними. Але !х проведення - достатньо складна практична задача, вирiшення яко! потребуе значних матерiальних ресурсiв i витрат часу.
Розрахунковi методи з використанням математичного моделювання фiзичних процесiв й комп'ютерно! оптимiзащl в iнженернiй i науковш практицi е найбiльш розповсюдженими у зв'язку з можливютю визначення показниюв двигунiв при порiвняно невеликих матерiальних витратах i за невеликий термш. Поряд iз перерахованими перевагами мае м^це велика складнiсть достовiрного описання фiзичних процесiв за допомогою математичних рiвнянь реальних фiзичних процесiв. Тому будь-яка математична модель потребуе тдтвердження достовiрностi результатiв розрахунку експериментальним даним.
Актуальшсть проведення таких робiт усе бшьше зростае зi зростанням жорсткост нормативiв, що обмежують викиди шюдливих
речовин, вимог економiчностi й високо! питомо! потужностi. Попередне розрахункове пророблення питань, пов'язаних з удосконалюванням робочих процесiв ДВЗ, паливно! апаратури й систем повггропостачання дозволяе ютотно скоротити об'ем дорогих експериментальних робгг. При цьому програмне забезпечення повинне дозволяти адекватно моделювати вiдповiднi процеси. Чим повшше математична модель охоплюе розглянутi фiзичнi процеси й коректнiше !х описуе, тим точшше й надiйнiше може бути отримано результат. Ще одшею, дуже важливою властивiстю повинне володгги програмне забезпечення - можливiстю виршувати складнi оптимiзацiйнi завдання. Недостатньо одержати в результат розрахунку гарне зб^ання з експериментальними результатами, необхiдно також знайти ефективш шляхи удосконалювання конструкци, вiдшукати оптимальнi значення багатьох конструктивних факторiв, якi по-рiзному впливають на робочий процес, ^ часом, що призводять до конфлiктних ситуацiй. Для реашзаци i пiдвищення ефективностi ршення оптимiзацiйних завдань ядро програми, що реашзуе математичну модель дослiджуваного процесу, повинне волод^и, крiм необхщно! точност^ ще й високою швидкодiею, тому що при пошуку оптимального результату доводиться проводити розрахунки багатьох сотень варiантiв конструкци.
Особливютю математичних моделей для ощнки параметрiв уташзаци теплоти i показникiв ДВЗ теплоенергетичних установок, е те, що вони повинш забезпечувати можливють розрахунку робочих процеЫв ДВЗ з одночасним визначенням параметрiв роботи двигуна, якi будуть суттево впливати на параметри уташзаци теплоти (як по самому двигуну, так i по параметрам вiдпрацьованих газiв).
Точнiсть рiшення завдань при автоматизованому проектуванш й керуваннi визначаеться двома основними факторами: наближешстю математичного опису фiзичних процесiв в елементах i системi (похибки моделi) i похибкам використовуваних методiв рiшення. Вимоги високо! точностi рiшення завдання й малих витрат машинного часу суперечливi, тому що шдвищення точностi аналiзу моделей супроводжуеться зростанням кшькост операцiй, пов'язаних зi збiльшенням числа дослiджуваних варiантiв, крокiв пошуку екстремуму цшьово! функци, крокiв чисельного iнтегрування системи диференщальних рiвнянь i т.i. Разом з тим практика ршення завдань моделювання, аналiзу й оптимiзацi! в рядi областей технiки показуе, що найбшьшу частину загально! похибки рiшення завдань, як правило, становлять похибки самих моделей. Шдвищення точност моделей не завжди доцшьно, тому що призводить до збшьшення !х складностi й появi нових джерел похибок у зв'язку з
недостатньою вивчешстю фiзичних процеЫв в об,ектi, що моделюеться. На пiдставi викладеного можна зробити висновок, що питання точност машинного розрахунку в кожному конкретному випадку варто виршувати окремо, виходячи iз мети моделювання, вiрогiдностi вихiдних даних i обраних методiв чисельного рiшення.
Математичш моделi, що використовують методи й алгоритми рiшення повиннi бути орiентованi на багаторазове застосування й для рiзних систем. Однак варто враховувати, що вимога ушверсальност суперечить вимогам малих витрат машинного часу й пам'ят^ тому що чим детальшше вiдображаються в моделi рiзнi закономiрностi фiзичних процесiв, тим точнiше й бшьш унiверсальна модель, але й тим бшьше об'ем обчислень i число параметрiв моделi. Вдале компромюне задоволення вимог до моделi в одних завданнях може виявитися далеким вщ оптимального в шших.
Цим можна пояснити наявшсть рiзних моделей того самого елемента або фiзичного процесу й рiзних методiв !х дослiдження. Застосування ЕОМ для рiшення цих завдань знiмае обмеження на розмiрнiсть математичних моделей, а також забезпечуе високу точшсть одержуваних результат. При наявностi бiблiотеки стандартних шдпрограм полегшуеться вибiр методу аналiзу, прискорюеться процедура шдготовки й рiшення завдання на ЕОМ.
Постановка проблеми. Дослщження паливно! економiчностi i екологiчних показниюв дизелiв в умовах експлуатаци можливо проводити за допомогою математичних моделей, але для визначення параметрiв уташзаци теплоти !х вiдпрацьованих газiв потрiбно в уже iснуючi моделi вводити додатковi залежностi для визначення цих параметрiв.
Анал1з останнш до^джень i публЫацш. Для оцiнки показникiв конвертованих дизельних двигушв в газовi досить широко застосовують математичне моделювання робочих цикшв i характеристик двигунiв. У робот [1] приведена методика розрахунку робочого циклу двигуна, в якш для розрахунку тепловидшення використанi параметри, що одержанi експериментальним шляхом при вщображенш двигуна, для розрахунку газообмшу передбачена можливiсть розгляду рiзноманiтних схем подачi газового палива (зовнiшне змшування або внутрiшне), а також двотактного циклу з продуванням повггрям, або сумшшю повiтря i газу. Передбачена можливють наближеного облiку впливу сусщтх цилiндрiв двигуна на процес газообмшу кожного окремого цилшдра двигуна. Методика дозволяе шдбирати деякi параметри компресора i турбiни з метою ошгашзаци параметрiв двигуна. Проте в робот вiдсутня
можливють розрахунку napaMeTpiB циклу при багатих сумшах (а<1), не передбачена можливють використовування газового палива довiльного складу, не враховуються дисощащя продуктiв згорання, вологiсть повiтря, а також що важливо для двигушв з утилiзацiею теплоти, питання теплового стану двигуна, моделювання процесiв зшмання теплоти в теплообмiнниках когенерационно! установки.
Важливою задачею конструкторiв газових двигушв е прогнозування показникiв i характеристик газових двигунiв з рiзноманiтними варiантами систем наддуву. У закордонних публжащях, як правило, не розкриваються важливi особливостi таких методик, оскiльки вони вважаються важливим ринковим товаром.
В розглянутих публжащях по кра!нах СНД найбiльш щкавими виглядають роботи наукових шкiл МАД1 ТУ - програмний комплекс 1НК «ДВЗ» [12] i МВТУ iм. Баумана - програмний комплекс Дизель- РК [13].
У зв'язку iз значним загостренням проблеми забруднення навколишнього середовища дуже актуальний розрахунок викидiв шкiдливих речовин при протiканнi робочого циклу в цилiндрi двигуна. Таю даш може дати моделювання циклу по багатозоннш моделi, яка запропонована для бензинового двигуна [2]. При розрахунку циклу застосовуеться рiвняння стану щеального газу. Зараз аналопчш методики достатньо добре вщпрацьоваш. При розрахунку розглядаеться замкнутий цикл з робочим тшом, яке впродовж всього циклу збер^ае незмшну масу, але мае змшний склад, враховуеться залежнiсть теплоемност вiд складу i температури. Замкнутий цикл складаеться з дшянок полггропного стиснення, згорання, розширення продуктiв згорання, приблизно враховуеться теплообмш iз стшками. Продукти згорання складаються з таких компонент: CO,CO2,H2O,H2,H,OH, O, O2,N2,NO.
Шмецью дослiдники [3] використовували аналогiчну методику. Приведет також залежност тривалостi тепловидшення, форми криво! (використовуеться формула Вiбе) i тривалостi першо! фази горшня вiд частоти обертання двигуна, коефщента надлишку повiтря, кута випередження запалювання i складу газу.
У робот [4] використовуеться розрахунок параметрiв циклу газового двигуна для прогнозування показниюв двигуна при шдвищенш ступеня стиснення. Для моделювання процеЫв стиснення - згорання - розширення застосовувалася двозонна модель. Це було необхщно, зокрема, для визначення кшькост NOx у вщпрацьованих газах. Параметри газообмiну
визначалися приблизно.
Важливе значення для точного моделювання показниюв циклу двигуна мае методика розрахунку характеру тепловидшення. 1снуе багато залежностей, якi можна роздiлити на двi великi групи:
1. Залежностi, складеш виходячи з уявлень про реакци горiння, швидкостi турбулентного полум'я, яю зв'язують розвиток процесу з поточними умовами. Точне вщтворення умов в кожнш конкретнiй областi камери згорання в динамщ вимагае розрахункiв по багатозонних моделях з використанням методiв моделювання тривимiрного руху заряду не тшьки в процесi згорання, але i в тактах впускання i стиснення. При виконаннi цих умов може бути застосована методика, запропонована в робот [5].
2. Формальш залежност, яю описують процес в чаш i не розкривають особливостей його розвитку [6, 7].
Щ залежност у разi процесу згорання в гомогенному середовишд, характерного для двигушв з примусовим запаленням, дають задовшьний збiг з експериментом. У основi вказаних залежностей лежать закони, яю припускають единий характер проткання процесу на всьому його протяз^ який справедливий для випадку горшня розповсюдженням фронту полум'я. Визначення коефщентв i показникiв ступеня в рiвняннях для формального опису тепловидiлення засноване на аналiзi результатiв визначення характеристик тепловидшення за експериментальними iндикаторними дiаграмами.
Метод розрахунку робочого процесу, в основi якого лежать диференцiальнi рiвняння об'емного балансу, знаходиться на шженерному рiвнi, вiн знайшов широке застосування в практищ двигунобудування. Цей метод набув поширення в науково-дослiднiй робот, а також в заводсьюй практищ. Вш дае практично повну збiжнiсть розрахункових i дослiдницьких даних [8].
При розробщ методики використовувалась математична модель розрахунку робочого процесу в надпоршневш порожниш цилiндра, розроблена проф. Н.М. Глаголевим [9] i яка одержала подальший розвиток в роботах професорiв Н.К. Шокотова [10] i В.Г. Дяченка [11].
Основна частина. Широке впровадження в шженерну практику ЕОМ дозволяе виршувати безлiч прикладних задач господарсько! дiяльностi людини. 1снуе безлiч математичних моделей, що описують робочi процеси в двигунi внутршнього згорання, якi з тим або шшим ступенем адекватностi дозволяють виконувати аналiз конструктивних параметрiв i шляхiв удосконалення двигунiв. У данiй робот за основу була прийнята модель робочого процесу, описана в роботах В.Г. Дьяченко [11]. Розроблена модель дозволяе детально змоделювати робочий процес в
сучасному чотирьохтактному двигуш i проводити дослщження впливу складу палива на енергетичнi i екологiчнi показники роботи двигуна. З метою ршення задач поставлених в робот^ а саме моделювання процесiв теплообмiну в дослщженнях роботи двигунiв внутрiшнього згорання з уташзащею теплоти 1х вщпрацьованих газiв, в модель були додаш рiвняння процесу теплообмiну, що описують, в системах охолоджування i вщбору теплоти.
Вони базуються на рiвняннi теплообмiну: кiлькiсть теплоти dQт , яка
передаеться вiд робочого тша до стiнок цилiндра за розрахунковий перюд визначаеться за залежнiстю [11]:
= а •(т - тст) • Р • ^, (1)
2
де а8 - середне значення коефщента теплопередачi, Вт/(м -К);
Т - середне значення температури газiв в цилшдр^ К;
Тст - температура поверхш стiнки цилiндра, К;
Р - площа, що омиваеться газами, м .
Для розрахунку середнього на дшянщ значення коефщента тепловiддачi мiж газами i стшкою були прийнятi залежностi [11]:
а = с • вт-1 • рт • то,75-1,б2т • (с1 • ст)т, (2)
де С i т - дослiднi коефiцiенти;
р - тиск газу в цилшдр^ Па;
Т - температура газу, К;
С1 • Ст - швидкiсть газу, м/с;
С1 = 6,18 - для процесiв газообмшу, м/с.
Площа поверхнi Р, яка омиваеться газами, визначаеться за формулою
[11]:
Р = *• В • [В + Б • (^ + "-т)], (3)
2 2 е-1
де
Б
СГ = 1 - сов + —— (1 - СОБ2^' ). (4)
8 • Ь
Середне значення температури газiв в цилiндрi визначаеться з рiвняння стану iдеального газу:
т Р • V
Т=--(5)
М • Я'
де р, V, М - тиск, об'ем i маса робочо! сумiшi на розрахунковш дiлянцi.
Температура поверхнi стiнки Тст визначаеться за залежнiстю:
Тст = Тв + + —) ■ Я, (6)
^ст ав
де Тв - температура охолоджуючо! рщини, К;
8ст - товщина стшки гiльзи, м;
Лст - теплопровiднiсть матерiалу стшки, Вт/(м -К);
ав - коефщент теплопередачi вiд стiнки до води, Вт/(м -К);
Я - густина теплового потоку, Вт/м2.
Варгюючи Тв можливо провести аналiз впливу теплового стану двигуна на його еколопчш i економiчнi показники роботи. За попередшми розрахунками при значеннях Тв = 85...95, досягаються якнайкращд значення питомо! витрати палива i значення показникiв викидiв шкiдливих речовин (СО, СО2, СпНт, КОх) мiнiмальнi.
Кшьюсть теплоти, що вiдводиться через систему уташзацй теплоти можна розрахувати за залежнiстю [14]:
dQyт = а пер • ¿<2Т , (7)
де апер - коефщент, що враховуе транспорты втрати тепла на шляху
вщ двигуна до теплообмшника системи утилiзацil теплоти.
Даний коефщент розраховуеться за формулою:
а = квк к , (8)
пер ов тр теп ? V у
де кдв - втрати на на^в блоку i головок двигуна;
kmp - транспорты втрати тепла, що включають теплове
випромшювання трубопроводiв поеднуючих двигун з теплообмшником;
kmen - коефщент, що враховуе кiлькiсть тепла, що передаеться в теплообмшнику теплоносiю, який утилiзуе тепло двигуна.
Можливють розрахунку кiлькостi тепла, яке можна уташзувати вiд того або шшого двигуна мае дуже важливе значення при проектуваннi установок з уташзащею теплоти, оскiльки дае можливють вибору первинного двигуна на стадп проектування з урахуванням необхщних об,емiв теплово! енергiï, що дозволяе максимально ефективно використовувати установку в подальшому.
Висновки. Для проведенш теоретичних дослщжень в роботi за основу була прийнята модель робочого процесу, яка дозволяе детально змоделювати робочий процес в сучасному чотирьохтактному двигуш i проводити дослщження впливу складу палива на енергетичш i екологiчнi показники роботи двигуна. З метою виршення задач дослщження, а саме моделювання процесiв теплообмшу в дослiдженнях роботи двигунiв внутршнього згорання з утилiзацiею теплоти ïx вiдпрацьованих газiв, в модель були додаш рiвняння процесу теплообмiну, що описують, в системах охолоджування i вщбору теплоти. Можливiсть розрахунку кшькосл тепла, яке можна утилiзувати вщ того або iншого двигуна мае дуже важливе значення при проектуванш установок з утилiзацiею теплоти, оскшьки дае можливiсть вибору первинного двигуна на стадп проектування з урахуванням необхщних об,емiв тепловоï енергiï, що дозволяе максимально ефективно використовувати установку в подальшому.
Список лтератури
1. Шанин Ю.П. Исследование рабочего процесса газовых двигателей методом численного моделирования на ЭЦВМ: Автореф. дис... канд. тех. наук: 05.04.02. -Ленинград, 1973.
2. Максимов А.Л. Исследование динамики образования окиси азота в двигателе с искровым зажиганием: Автореф. дис. канд. тех. наук: 05.04.02. - М., - 1976.
3. Bartels T., Mollenhauer K. Simmulation des Betriebverhaltens von OttoGasmotoren, №5 - MTZ. - 1994.
4. Mendis K.J., Stone C.R., Ladonimatoc N., Weller G. Modelling and Measurements From A Natural Gas Fueled Engine, - SAE Technical Paper No 930927.
5. Иноземцев Н.В., Кошкин В.К., Процессы сгорания в двигателях. - М.: Машгиз., 1949.
6. Вибе И.И. Новое о рабочем цикле двигателей. Скорость сгорания и рабочий цикл двигателей. - М.: Свердловск, 1962. - 271 с.
7. Ефремов Б. Д., Черняк Б.Я. Математическая модель процесса тепловыделения в двигателях внутреннего сгорания // Автотракторные двигатели внутреннего сгорания, вып.126. - М.:КАДИ. - 1986.
8. Young M.B., Cyclic Dispersion-Some Quantitativ Gause-and-Effect Relutionshis. - SAE Techn. Pap. Ser. - 1980, N 800459. - Р. 33.
9. Глаголев Н.М. Рабочие процессы двигателей внутреннего сгорания. - М.: Машгиз, 1950.
10. Шокотов Н.К., Цветкова Н.И. Расчет рабочего процесса двигателей внутреннего сгорания на ЭЦВМ методом объёмного баланса // Двигатели внутреннего сгорания, вып. 22. - Х. - 1975. - С. 3 - 11.
11. Дьяченко В.Г. Основы теории рабочих процессов в двигателях внутреннего сгорания. - К.:УМК ВО, 1988. - 95 с.
12. Двигатели внутреннего сгорания. В 3-х кн. Кн.3. Компьютерны практикум. Моделирование процессов в ДВС / В.Н.Луканин, М.Г.Шатров, Т.Ю.Кричевская и др. -М.: Вюш.шк., 2007. - 414с.
13. Кулешов А. С., Грехов Л. В. Математическое моделирование и компьютерная оптимизация топливоподачи и рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания. -М.: МГТУ, 2000. - 64 с.
14. Богословский В.Н. Строительная теплофизика (теплофизические основы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха): Учебник для вузов. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Высш. школа, 1982. - 415 с., ил.
УДК 629.46.004.67
Мельничук В.О., начальник Головногоуправлтня вагонного
господарства (Укрзалiзниця) Мямлт С.В., д.т.н., професор (Д11Т) 1сопенко 1.В., заступник начальника Головного управлтня
вагонного господарства (Укрзалiзниця) Мямлт В.В., к.т.н., доцент (Д11Т)
УДОСКОНАЛЕННЯ СИСТЕМИ ТЕХН1ЧНОГО ОБСЛУГОВУВАННЯ ТА РЕМОНТУ ВАНТАЖНИХ ВАГОН1В
Одшею з важливих складових д1яльност1 зашзничного транспорту е забезпечення необхщного обсягу перевезень при достатнш рентабельност експлуатацшно! роботи. До витратних статей фшансового плану зашзниць вщносяться в числ1 шших i роботи, як пов'язаш з утриманням техшчного
