Определение оптимального состава смесевого топлива по экологическим показателям дизеля

Полный текст

Введение Инновационное сельскохозяйственное производство на сегодняшний день диктует определённые требования связанные, прежде всего, с повышением как эксплуатационных, так и экологических требований к используемой технике. Наряду с модернизацией конструктивно-технологических схем применяемых машин, а также истощением традиционных энергоресурсов и соответствие ужесточающимся экологическим требованиям, актуальными направлениями являются разработка и исследование эффективности применения новых альтернативных моторных топлив, в том числе смесевых топлив (СТ) [1]. К ним относятся масла растительного происхождения [1]. Применение в тракторных двигателях и другой сельскохозяйственной техники рапсового масла (РМ) в чистом виде или смеси РМ с дизельным топливом (ДТ) накладывает ряд ограничений, связанных с некоторым различием физико-химических свойств [1]. В связи с чем образование токсичных веществ в отработавших газах дизеля будет отличаться. Применение чистого РМ в качестве моторного топлива для дизелей затруднено так как требует разработки для этого специальных систем питания [2]. Поэтому наиболее перспективным является использование СТ состоящего из ДТ и РМ. Определение необходимого оптимального количества РМ в СТ с точки зрения экологии является на сегодняшний день актуальной задачей. В работах [3-9] проведены исследования для дизеля Д-245.12С по оптимизации состава СТ, состоящего из ДТ и РМ. «Предложена методика оптимизации состава этих смесей, базирующаяся на определении обобщенного критерия оптимальности, вычисляемого в виде суммы частных критериев, характеризующих концентрацию в отработавших газах оксидов азота и сажи, а также суммарным условным коэффициентом агрессивности отработавших газов, определяемого в виде суммы относительных удельных выбросов нормируемых токсичных компонентов и дымности на режиме максимального крутящего момента» [3-9]. Для СТ с содержанием РМ 60% получены минимальные значение обобщенного критерия оптимальности и условного коэффициента агрессивности [3-9]. Однако определение оптимальной добавки РМ в СТ при работе дизеля на других нагрузочных и скоростных режимах работы, представляет научный интерес. Одним из наиболее эффективных, точных и проверенных методов обработки экспериментальных данных является аппроксимация, при помощи которой с достаточной долей вероятности можно определить, как интерполируя, так и экстраполируя оптимальные значения контролируемых параметров при заданных условиях оптимизации [10-12]. Поэтому целью настоящих исследований является определение оптимального состава СТ, состоящего из ДТ и РМ путём оптимизации аппроксимированных зависимостей экологических показателей дизеля. Методы и средства проведения исследований Для решения поставленной задачи проведены стендовые испытания работы дизеля Д-245.5С, размерностью 4ЧН 11,0/12,5. В качестве определяемых экологических показателей работы дизеля выбраны: сажа (С), оксиды азота (NOx), несгоревшие углеводороды (CxHy), диоксид углерода (CO2) и монооксид углерода (CO). Установка для проведения стендовых испытаний состояла из нагрузочного стенда RAPIDO, балансирной маятниковой машины SAK N670 и установленного на нём дизя Д-245.5С, размерностью 4ЧН 11,0/12,5, а также приборов для определения дымности и токсичности отработавших газов, массового расхода воздуха и топлива, давления и температуры масла, охлаждающей жидкости, отработавших газов и весового устройства. На момент проведения испытаний все приборы прошли государственную поверку. Исследования проведены на различных составах смесевого топлива. На первом этапе на чистом ДТ, далее при различном массовом содержании РМ в смесевом топливе. Исследуемые составы состояли из 80% ДТ и 20% РМ, 55% ДТ и 45% РМ, 20% ДТ и 80% РМ по массе соответственно. Методика проведения стендовых испытаний соответствовала ГОСТ 18509-88 «Дизели тракторные и комбайновые. Методы стендовых испытаний (с Изменением № 1)». Необходимый состав СТ получали путём предварительного смешивания массовых долей составляющих компонентов ДТ и РМ. После этого осуществляли заправку этим составом топливного бака дизеля. В связи с тем, что чистое РМ, а также его смеси с ДТ имели меньшую удельную низшую расчётную теплоту сгорания по сравнению с чистым ДТ, то для обеспечения паспортных значений эффективной мощности и максимального крутящего момента было необходимым увеличить цикловую подачу, на величину разницы значения низшей расчётной удельной теплоты сгорания между СТ и чистым ДТ. Поэтому при проведении испытаний на различных составах СТ, каждый раз производилась регулировка топливного насоса высокого давления (ТНВД), путём изменения активного хода плунжера с целью увеличения его цикловой подачи. Перед проведением исследований получены регулировочные характеристики дизеля на вышеназванных составах СТ, в результате которых определены значения установочного угла опережения впрыскивания топлива равного 26°. Результаты исследований и их обсуждение В результате проведенных стендовых испытаний получены две нагрузочные характеристики, одна из которых при частоте вращения n = 1400 мин-1 соответствующей значению максимального крутящего момента, а вторая при частоте вращения n = 1800 мин-1 соответствующей значению номинальной мощности, а также внешняя скоростная характеристика тракторного дизеля Д-245.5С, размерностью 4ЧН 11,0/12,5 при работе на СТ с различной добавкой РМ. На рис. 1 представлены графики зависимости экологических показателей работы дизеля при n = 1400 мин-1 и n = 1800 мин-1 и различной добавке РМ в СТ от нагрузки и частоты вращения коленчатого вала. Анализ экологических показателей, представленных на рис. 1, а показал, что при увеличении нагрузки с 0,2 до 1,2 МПа и содержании РМ в СТ до 55 % снизились концентрации в отработавших газах: сажи С с 17,10 до 6,9 %, оксидов азота NOx с 2490 до 307 ppm, несгоревших углеводородов CxHy с 14,0 до 1,0 ppm и диоксида углерода CO2 с 10,97 до 2,70 %, а монооксида углерода CO увеличились с 0,01 до 0,05 % соответственно. На рис. 1, б видно, что при увеличении нагрузки с 0,2 до 1,0 МПа и содержании РМ в СТ до 55 % снизились концентрации в отработавших газах: сажи С с 38,03 до 6,8 %, оксидов азота NOx с 2630 до 131 ppm, несгоревших углеводородов CxHy с 13,0 до 1,0 ppm и диоксида углерода CO2 с 8,77 до 2,09 %, а монооксида углерода CO увеличились с 0,01 до 0,09 % соответственно. Проведенный анализ зависимостей (рис. 1, в) выявил, что при снижении n с 1400 до 2000 мин-1 и увеличении доли РМ в СТ до 55% снизились концентрации в отработавших газах сажи С с 48,57 до 8,70 %, несгоревших углеводородов CxHy с 17,0 до 4,0 ppm и оксидов азота NOx с 2730 до 1510 ppm. А при увеличении n с 1400 до 2000 мин-1 и увеличении доли РМ в СТ до 55% увеличилась концентрация в отработавших газах монооксида углерода CO с 0,03 до 0,15 %, а диоксида углерода CO2 снизилась с 10,97 до 6,80 % соответственно. а б в Рис. 1. Характеристики дизеля Д-245.5С, размерностью 4ЧН 11,0/12,5 при работе на СТ с различной добавкой РМ: а - нагрузочная при n = 1400 мин-1, б - нагрузочная при n = 1800 мин-1, в - внешняя скоростная Fig. 1. Characteristics of the D-245.5S diesel engine (4ChN 11.0 / 12.5) when operating on MF with various RO additives: a - load performance at n = 1400 min-1, b - loadperformance at n = 1800 min -1, c - full-load curve Для определения оптимального состава СТ используемого в качестве топлива для исследуемого дизеля провели аппроксимацию зависимостей экологических показателей от n, среднего эффективного давления pe и содержания РМ в СТ - РМ%. Анализ имеющихся методов аппроксимации экспериментальных данных, показал, что применение метода аппроксимации функцией для нахождения дополнительных значений, отличных от экспериментальных данных, при которой функция проходит не через узлы интерполяции, а между ними является вполне достоверной, а получаемая математическая зависимость позволяет проводить многопараметрическую оптимизацию [13]. Наиболее рациональным с точки зрения получения очень точных значений функций в случае достаточно достоверных экспериментальных данных является применение метода наименьших квадратов (МНК) [14]. Данный математический метод основан на минимизации суммы квадратов отклонений функций от искомых переменных, используется для решения переопределенных систем уравнений (когда количество уравнений превышает количество неизвестных), и для решения в случае обычных (не переопределенных) нелинейных систем уравнений, а также для аппроксимации точечных значений некоторой функции по выборочным данным [15]. Отклонения аппроксимированных функций полученных экологических показателей дизеля в зависимости от выбранных факторов: (1) где - значение отклонения экспериментальных данных в % или ppm от значений рассчитанных по аппроксимированной функции; - экспериментальные значения экологических показателей дизеля, С, NOx, CxHy, CO2, CO, [%, ppm, ppm, %, %], соответственно; - значения экологических показателей дизеля, С, NOx, CxHy, CO2, CO, [%, ppm, ppm, %, %], соответственно, аппроксимированной функции. Задача состояла в нахождении таких значений при которых сумма квадратов отклонений выражения (1), будет стремиться к минимуму: (2) Полученные экспериментальные значения экологических показателей дизеля представляют собой трёхмерные массивы данных, а значения элементов массива - значения экологических показателей. Нашли функцию, которая является оптимальной с точки зрения МНК это уравнения второго порядка, имеющие вид: (3) где , , , , , , , , , - искомые коэффициенты. Теперь с учётом выражения (3) получили функции, представляющие собой суммы квадратов отклонений известных экспериментальных данных от соответствующих данных полученных на аппроксимированных зависимостях. Подставив выражение (3) в выражение (2) получили: (4) Далее для определения искомых коэффициентов в выражении (3) на основе обращения в нуль в точке минимума функций её производных определили систему уравнений: (5) После раскрытия скобок в системе уравнений (5) и приравнивания к нулю получили «громоздкую» cистему уравнений. Далее для её решения воспользовались Алгоритмом Гаусса-Ньютона: · сначала обнулили многочлены при искомых коэффициентах , начиная со второго уравнения, для этого определили коэффициенты для первого уравнения; · умноженное на соответствующий коэффициент первое уравнение прибавили к нижележащему, в результате многочлены при искомых коэффициентах сократились; · продолжая преобразование - нашли коэффициенты для второго уравнения в новой системе, такие, что многочлены при искомых коэффициентах сократились из уравнений с третьего и ниже и т.д. В результате преобразований по алгоритму Гаусса-Ньютона получили искомые коэффициенты в уравнении (3) для всех критериев : (6) Полученная система уравнений (6) представляет собой математические зависимости экологических показателей дизеля Д-245.5С, размерностью 4ЧН 11,0/12,5 от , доли РМ по массе в СТ и . Достоверность аппроксимации полученной системы уравнений экологических показателей (6) рассчитанных методом наименьших квадратов составила 97,24%, коэффициент Дарбина-Ватсона составил 1,85, средняя абсолютная ошибка 1,71, что свидетельствует об удовлетворительной сходимости полученных экспериментальных данных с рассчитанными математическими моделями. Графическая интерпретация полученных зависимостей экологических показателей, рассчитанных по уравнениям (6) представлена на рис. 2. а б в г д Рис. 2. Зависимости: а - сажи С, %, б - оксидов азота , ppm, в - несгоревших углеводородов , ppm, г - диоксида углерода , %, д - монооксида углерода , % от среднего эффективного давления , МПа, доли РМ по массе в СТ, % и частоты вращения коленчатого вала , мин-1 дизеля Д-245.5С, размерностью 4ЧН 11,0/12,5 Fig. 2. Dependences of: a - soot С, %, b - nitrogen oxides , ppm, c - unburned hydrocarbons , ppm, d - carbon dioxide , %, e - carbon monoxide , % on the average effective pressure , MPa, the share of RO by mass in MF, % and the crankshaft rotation speed , min-1 of D-245.5S diesel engine (4ChN 11.0 / 12.5) Анализ полученных зависимостей, представленных на рис. 2 показал что: при увеличении , доли РМ в СТ и снижении приводит к снижению сажи С до 4,0 %, оксидов азота до 100,0 ppm, несгоревших углеводородов до 1,0 ppm, диоксида углерода, до 2%, и увеличению монооксида углерода до 0,16 %. Для нахождения оптимального состава СТ состоящего из ДТ и РМ решили систему уравнений при котором основным условием было найти значения , РМ и при минимально возможных значения всех экологических показателей: (7) После совместного решения системы уравнений (6) при условии (7) получены оптимальные значения факторов - , РМ и при которых достигаются минимальные значения экологических показателей дизеля. Так как нахождение взаимных минимумов системы уравнений предполагает наличие интервала из-за множества решений, поэтому определили наиболее вероятное оптимальное решение исходя из критерия оптимальности (k-optimum) при котором наиболее вероятное значение будет равным более 0,96. Результат оптимального решения системы уравнений (6) с условием (7) представлен на рис. 3. Рис. 3. Зависимость критерия оптимальности (k-optimum) от среднего эффективного давления , МПа, доли РМ по массе в СТ, % и частоты вращения коленчатого вала , мин-1 дизеля Д-245.5С, размерностью 4ЧН 11,0/12,5 Fig. 3. Dependence of the optimality criterion (k-optimum) on the average effective pressure , MPa, the share of RO by mass in MF, % and the crankshaft rotation speed , min-1 of D-245.5S diesel engine (4ChN 11.0 / 12.5) Анализ зависимости, представленной на рис. 3 показывает, что оптимальным составом СТ является добавка в него доли РМ до 35% по массе при которой обеспечиваются минимальные экологические показатели дизеля Д-245.5С, размерностью 4ЧН 11,0/12,5. Выводы 1. В результате проведенных экспериментальных исследований получены зависимости экологических показателей работы дизеля Д-245.5С, размерностью 4ЧН 11,0/12,5 при частоте вращения коленчатого вала соответствующей значению максимального крутящего момента n = 1400 мин-1, частоте вращения коленчатого вала соответствующей значению номинальной мощности n = 1800 мин-1, различной нагрузке и добавке РМ в СТ. 2. Анализ полученных экспериментальных данных выявил зависимости экологических показателей от частоты вращения коленчатого вала дизеля, среднего эффективного давления и добавки РМ в СТ по массе. 3. При помощи метода наименьших квадратов определены аппроксимированные математические зависимости экологических показателей дизеля показавшие что при увеличении частоты вращения коленчатого вала , доли РМ в СТ и снижении среднего эффективного давления приводит к снижению сажи С до 4,0 %, оксидов азота до 100,0 ppm, несгоревших углеводородов до 1,0 ppm, диоксида углерода, до 2%, и увеличению монооксида углерода до 0,16 %. 4. В результате решения полученной системы уравнений аппроксимированных зависимостей экологических показателей определили оптимальную добавку РМ в СТ до 35 % по массе.

Об авторах

С. А. Плотников

Вятский государственный университет

Email: shamilvb@mail.ru

д.т.н.

Россия, Киров

Ш. В. Бузиков

Вятский государственный университет

Email: shamilvb@mail.ru

к.т.н.

Россия, Киров

И. С. Козлов

Вятский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: shamilvb@mail.ru
Россия, Киров

Список литературы

Дополнительные файлы