Parameter optimization of a modular diesel exhaust converter for automotive equipment

Abstract

The article presents the main factors influencing on fuel efficiency of diesel engines. Parameter optimization of a modular diesel exhaust converter has been carried out.

Full Text

Начало третьего тысячелетия ознаменовалось не только бурным развитием транспорта и малой энергетики, но и ростом техногенного воздействия поршневых двигателей на окружающую среду. Один из способов снижения выбросов загрязняющих веществ с ОГ дизелей - установка средств очистки в выпускной системе. Указанный способ позволяет без весомых изменений конструкции двигателей обеспечить эффективную очистку ОГ от токсичных компонентов, однако приводит к увеличению расхода топлива в среднем на 5-10% [1]. В связи с этим задача повышения топливной экономичности дизелей, оснащенных блочными нейтрализаторами ОГ, имеет существенное значение для сельского хозяйства. Топливная экономичность дизелей сельхозмашин характеризуется рядом факторов, поэтому в качестве гипотезы исследования предположим, что расход топлива зависит от нескольких параметров блочного нейтрализатора: , где - часовой расход топлива дизелем сельхозмашины с блочным нейтрализатором в эксплуатации, кг/ч; - факторы, влияющие на величину часового расхода топлива дизелем с блочным нейтрализатором. Расход топлива напрямую зависит от процесса его сгорания. При неполном сгорании выделяется меньшее количество теплоты, т.е. снижается коэффициент полезного действия двигателя внутреннего сгорания (ДВС), и увеличивается содержание токсичных компонентов в ОГ. Оптимизация заключается в аппроксимации зависимостей критериев эффективности конструкции по результатам экспериментальных данных и выборе оптимальных параметров устройства. Критерием эффективности устройства служит часовой расход топлива дизельным ДВС. Оптимизация параметров нейтрализатора ОГ заключается в нахождении минимума функции: . Наиболее важные факторы данных функций: диаметр и высота реактора, диаметр трубок катализатора. Для решения поставленной задачи и получения математической модели эксперимента реализован трехуровневый план Бокса-Бенкина [2]. План эксперимента и уровни варьирования факторов представлены в табл. 1. Таблица 1 Матрица плана эксперимента Уровни и интервалы варьирования факторов Фактор Критерии оптимизации Диаметр реактора , м Высота реактора , м Диаметр трубки d, м Часовой расход топлива , кг/ч x1 x2 x3 y Верхний уровень (+) 0,25 0,4 0,003 - Основной уровень (0) 0,2 0,3 0,002 - Нижний уровень (-) 0,15 0,2 0,001 - Интервал варьирования 0,05 0,1 0,001 - План опытов 1 + + 0 36,8 2 - - 0 40,8 3 + - 0 34,6 4 - + 0 42,5 5 + 0 + 34,9 6 - 0 - 42,3 7 + 0 - 35 8 - 0 + 41,7 9 0 + + 38,2 10 0 - - 39,8 11 0 + - 41,6 12 0 - + 35,2 13 0 0 0 38,6 14 0 0 0 38,6 15 0 0 0 38,6 Раскодированные уравнения имеют вид: На рисунке представлены графики поверхности отклика зависимости часового расхода топлива от геометрических параметров блочного нейтрализатора ОГ при постоянных ; ; . Анализ рис. а показывает, что с увеличением диаметров реактора и трубок блочного катализатора часовой расход топлива снижается, что объясняется более низким коэффициентом газодинамического сопротивления. Анализ поверхности отклика, представленной на рис. б, показывает, что с увеличением диаметра реактора и уменьшением его высоты расход топлива дизельным двигателем снижается, что обусловлено уменьшением коэффициента газодинамического сопротивления катализатора из-за уменьшения плотности укладки трубок. Анализ поверхностей отклика, представленных на рис. в, показывает, что с уменьшением диаметра гранул катализатора и высоты реактора расход топлива снижается, что объясняется низким газодинамическим сопротивлением. Результаты оптимизации блочного нейтрализатора ОГ дизелей приведены в табл. 2 [3]. Таблица 2 Результаты оптимизации Оптимальный параметр Оптимальные критерии , м , м , м , кг/ч 0,245 0,3 2∙10-3 34,7 Выводы 1. В результате исследований установлено, что основные факторы, влияющие на топливную экономичность дизелей при установке блочных нейтрализаторов ОГ, - диаметр и высота реактора, диаметр трубок блочного нейтрализатора. 2. Получена эмпирическая модель, адекватно описывающая влияние исследуемых факторов на показатели топливной экономичности дизельных двигателей. 3. Максимальное снижение расхода топлива дизелем с нейтрализатором ОГ достигается при следующих параметрах устройства: - диаметр реактора = 0,245 м; - высота реактора = 0,3 м; - диаметр гранул катализатора = 0,002 м.