Оптимизация параметров блочного нейтрализатора отработавших газов дизельных двигателей автотракторной техники

Аннотация

Приведены основные факторы, влияющие на топливную экономичность дизельных двигателей. Проведена оптимизация параметров блочного нейтрализатора отработавших газов (ОГ) дизелей.

Полный текст

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.