Выбор параметров газопоршневого двигателя для энергосиловых установок горных машин

П.И. Тарасов, канд. техн. наук, зам. директора по научной работе ООО «Перспектива-М» (Екатеринбург);

М.Л. Хазин, д-р. техн. наук, профессор, Уральский государственный горный университет (Екатеринбург);

В.В. Фурзиков, зам. начальника департамента разработки нового семейства дизелей по экспериментальным работам, ООО «Уральский дизель-моторный завод» (Екатеринбург);

А.П. Тарасов, инженер, ООО «Перспектива-М» (Екатеринбург)

При эксплуатации технологического автотранспорта и техники с дизельными двигателями с выхлопными газами в атмосферу выбрасывается значительный объем токсичных веществ. В отработанных выхлопных газах энергосиловых установок горных машин значительную долю занимают оксиды азота и сажа. В непосредственной близости от работающей машины с дизельным двигателем превышения предельно допустимой концентрация (ПДК) по этим ингредиентам достигают нескольких десяток раз [1, 2]. Поэтому задача снижения выбросов вредных (загрязняющих) веществ двигателями внутреннего сгорания при их эксплуатации, остается важнейшей для разработчиков энергосиловых установок.

Все основные методы повышения экономичности и экологичности дизелей подразделяются на технологические, санитарно-технические, планировочные и административные (рис. 1). По этим четырем направлениям непрерывно, начиная с первого момента создания дизеля, ведутся научно-исследовательские работы, при этом выделяются два принципиально отличающихся подхода.

Первый, это повышение экономичности и экологичности за счет улучшения показателей работы дизеля:

- совершенствования рабочего процесса двигателя (оптимизации геометрии камеры сгорания дизеля, основных параметров рабочего цикла);

- применения новых, перспективных конструкций и схем работы ДВС (роторно-поршневые, комбинированные схемы из двух ДВС, двигатели со свободным газотурбинным наддувом);

- регулирования угла опережения впыска топлива, продолжительности топливоподачи, давления впрыска, настройки топливной аппаратуры;

- использования новых или модернизированных топливных систем (внедрение аккумуляторных топливных систем, электрогидравлических форсунок, систем электронного зажигания);

- использования альтернативных и комбинированных видов энергоносителей и топлив (переход на газодизельный цикл рабочего процесса, применение газового топлива, применение аккумуляторных батарей);

- использования катализаторов, топливных присадок и водо-топливных эмульсий;

- применения рециркуляции отработанных газов при частичных нагрузках работы горных машин;

- охлаждения свежего заряда и дросселирования топлива на впуске дизеля горных машин.

Второй подход реализует принцип уменьшения вредного воздействия технического объекта на пути распространения загрязнений.

К основным направлениям второго подхода относятся: - использование различных устройств и систем очистки отработанных газов от вредных выбросов (в первую очередь, от NOx и сажи);

- выполнение своевременных проверок горных машин на соответствие их выбросов техническим нормативам по загрязняющим веществам и организация контроля токсичности отработавших газов дизелей с использованием приборов газового анализа и оборудования пунктов экологического контроля (ПЭК) – по методике диагностики без разбора двигателя.

Горнотехнические условия эксплуатации карьерных самосвалов определяют режимы работы их силовых установок. Применение силовых установок с рациональными параметрами в различных горнотехнических условиях позволит сократить расход топлива и повысить производительность карьерного автотранспорта. Рациональные технические характеристики силовых установок определяются в соответствии с дифференциацией горнотехнических условий (рис. 2).

Использование электронных систем управления топливоподачей и современных компонентов топливной системы также позволяет обеспечить необходимые характеристики двигателей внутреннего сгорания (рис. 3).

Определить оптимальное сочетание значений удельной мощности и среднего эксплуатационного расхода топлива автосамосвала для различных горнотехнических условий практически невозможно. Поэтому выбор маршрута для характерных условий эксплуатации автосамосвалов представляет собой ответственный момент. Для карьерных автосамосвалов может быть несколько характерных условий эксплуатации, различающихся по средневзвешенному уклону, расстоянию транспортирования и высоте подъёма горной массы.

Для возможности учета влияния большого количества факторов, участвующих в процессах, протекающих в двигателях энергосиловых установок горных машин, используется имитационное моделирование [4]. Такое моделирование процесса транспортирования горной массы карьерными автосамосвалами позволяет обосновать технологические параметры, которые включают:

- определение среднетехнической скорости движения автосамосвала с различными техническими характеристиками работы силовой установки в конкретных горнотехнических условиях;

- установление зависимостей производительности автосамосвала от горнотехнических условий и обоснование путей её повышения;

- определение топливной экономичности.

Сложность действительных процессов создает большие трудности при их теоретическом описании. Поэтому при проектировании ДВС, поверочных расчетах рабочих циклов и теоретических исследованиях используются упрощенные методики теоретического анализа циклов. Такой анализ удобно выполнять на базе метода теплового расчета, названного методом Гриневецкого-Мазинга (по имени его авторов) и получившего большое распространение при расчетах рабочих циклов дизелей [5]. Популярность метода Гриневецкого-Мазинга объясняется удовлетворительными результатами довольно простых расчетов, позволяющих достаточно легко анализировать процессы, протекающие в ДВС. Метод не требует сколь-нибудь ощутимых вычислительных ресурсов.

Более сложные модели расчета рабочего процесса на основе многозонности, например, Хироясу [6], Н.Ф. Разлейцева [7] логически сложны в своей математике. Для решения уравнений моделей необходимо применение специальных математических методов, что влечет многократное увеличение объёма вычислений. Для выполнения таких расчетов необходимо ввести большое количество данных, что делает эти методы пригодными лишь для профессионалов.

Расчеты, выполненные по методике Гриневецкого-Мазинга, носят лишь прогнозный характер, чтобы оценить уровень нагрузок на детали двигателя и в первом приближении оценить требования к наддуву, топливной аппаратуре и определить расход топлива.

В настоящее время в качестве основного альтернативного вида топлива для энергосиловых установок горных машин рассматривается природный газ [8–10]. Для выбора параметров газо-поршневого двигателя для энергосиловых установок горных машин нами была составлена расчетная модель рабочего цикла дизельного двигателя по методу Гриневецкого-Мазинга. Проверка адекватности модели была проведена по результатам экспериментальных испытаний газопоршневого двигателя КАМАЗ 820.60-260 (рис. 4) [11].

Результаты испытаний показали удовлетворительную сходимость экспериментальных и теоретических данных, при их относительном расхождении 10%.

С помощью полученной расчетной модели были определены основные параметры перспективного газо-поршневого двигателя энергосиловой установки карьерного самосвала грузоподъёмностью 240 т (рис. 5).

Таким образом, к числу наиболее приоритетных направлений в повышении экологичности энергосиловых установок для горных машин следует отнести применение природного газа в качестве энергоносителя и выбор рациональных параметров силовых установок с учетом горнотехнических условий их эксплуатации. Естественно, что решение подобных задач невозможно без детального математического и компьютерного моделирования процессов, протекающих в двигателях энергосиловых установок горных машин.

Информационные источники

1. Шешко О.Е. Эколого-экономическое обоснование возможности снижения нагрузки на природ- ную среду от карьерного транспорта // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2017. – № 2. – С. 241–252.

2. Thiruvengadam A., Besch M., Carder D., Oshinuga A. Unregulated greenhouse gas and ammonia emissions from current technology heavy-duty vehicles //Journal of the Air & Waste Management Association. – 2016. – Т. 66. – №. 11. – С. 1045–1060.

3. Тарасов П.И., Хазин М.Л., Фефелов Е.В., Фурзиков В.В. Проектирование двигателей для карь- ерных самосвалов с учетом горнотехнических условий эксплуатации // Горная промышлен- ность. – 2017. – № 6 (136). – С. 60–63.

4. Самойленко Д.Е. Компьютерное моделирование совместной работы дизельного двигателя и турбокомпрессора с изменяемой геометрией // Двигатели внутреннего сгорания. – 2012. – №1. – С. 29–34.

5. Исаев А.П., Каргин С.А., Колосов К.К. Анализ методов расчета показателей рабочего цикла су- дового ДВС // Вестник Астраханского государственного технического университета. – 2009. – №1. – С. 193–198.

6. Hiroyuki Hiroyasu, Toshikazu Kadota and Masataka Arai. Development and Use of a Spray Combustion Modeling to Predict Diesel Engine Efficiency and Pollutant Emissions // Paper 214–12, Bull, JSME. – 1983 – vol. 26. No. 214. – pp. 576–583.

7. Разлейцев Н.Ф. Моделирование и оптимизация процесса сгорания в дизелях. – Харьков: Вища школа, 1980 – 169с.

8. Тарасов П.И., Хазин М.Л., Фурзиков В.В. Применение природного газа в качестве моторного топлива техники горнодобывающих предприятий // Горная промышленность. – 2017. – №1 (131). С. 66–68.

9. Марков В.А., Поздняков Е.Ф. Природный газ как наиболее выгодное моторное топливо // Авто- мобильная промышленность. – 2017. – №1. – С . 11–15.

10. Osorio-Tejada J. Llera-Sastresa E., Scarpellini S.A multi-criteria sustainability assessment for biodiesel and liquefied natural gas as alternative fuels in transport systems //Journal of Natural Gas Science and Engineering. – 2017. – Т. 42. – С. 169–186.

11. Фурзиков В.В. Анализ влияния конструктивных факторов на образование вредных веществ в газовом двигателе. // Строительные и дорожные машины – 2009. – №12. – С. 49–55.

Ключевые слова: горные машины, природный газ, СПГ, КПГ, газопоршневой двигатель, силовые установки карьерных автосамосвалов

Журнал "Горная Промышленность" №2 (138) 2018, стр.49