Спосіб визначення витрати палива при роботі тепловозних двигунів

1. Спосіб визначення витрати палива при роботі тепловозних двигунів, який включає вимірювання концентрації кисню в газах, що відпрацювали, та в якому використовується явище зв'язку між окремими параметрами спалювання палива, який відрізняє ться тим, що вимірюють витрату повітря, що надходить у двигун, його тиск і температуру, а витрату палива визначають по формулі: 2 3 39063 d1 ;d2 - відносні погрішності виміру витрати палива приладом. Якщо витрати G1 і G2 виміряються однаковими приладами, то d1=d2=dприл. Тоді з формули (1) знаходимо вираження для визначення максимальної відносної помилки визначення витрати палива dрасх = dприл × 1 + G2 G 1 - G2 G 1, (2) 1 З літератури [3] відомо, що при номінальному навантаженні дизеля злив палива від форсунок G2 становить 60%, а при малих навантаженнях - до 90% від витрати G1. Тоді максимальна відносна погрішність визначення витрати палива буде перебувати в межах 1 + G2 G1 1 + (0,6...0,9) = dприл × = G2 1 - (0,6...0,9) 1G1 = (4...19 ) × dприл , dрасх = dприл × (3) Таким чином, максимальна відносна помилка визначення палива, що витрачається, збільшується в порівнянні з помилкою виміру приладу в (4...19) раз. Так, якщо витрати палива G1 і G2 виміряються приладами із класом точності 0,5, то максимальна відносна помилка визначення витрати палива складе dрас х=(4...19)×0,5%=(2...9,5)%, а при використанні приладів класу точності 1,0, максимальна погрішність визначення витрати палива складе dрас х=(4...19)×1,0%=(4...19)%. Метою корисної моделі є підвищення надійності визначення витрати палива й забезпечення можливості автоматизувати процес виміру. Як прототип використовується явище подачі до місця горіння надлишкової кількості повітря й зв'язку між кількістю спаленного палива, кількістю подаваного повітря й концентрацією кисню в газах, що відпрацювали. Це явище використовується, наприклад, у автомобілях "Мерседес - Бенц", у котрих подача палива циліндрі двигуна автоматично регулюються по даним о концентрації кисню у відпрацьованих газах шля хом регулювання кількості поданого у циліндри повітря. Уводимо поняття - питома витрата повітря Vy.д, що чисельно дорівнює відношенню фактично подаваної кількості повітря Vфак до кількості палива, що спалюється, G. З цього відношення випливає G= Vфакт , Vуд (4) де Vфакт - фактична кількість повітря, що подається в камеру згоряння, вимірюється відомими способами, м 3/с. Значення питомої кількості повітря Vyд виразимо через теоретично необхідну кількість повітря V0 і сумарний коефіцієнт надлишку повітря a S Vyд=V0×a S. (5) Сумарний коефіцієнт надлишку повітря виразимо через концентрацію кисню в газах, що відпрацювали, [5] 4 aS = K a × 21 , 21- O2 (6) де Кa - емпіричний коефіцієнт (Кa=0,94); О2 - об'ємна концентрація кисню в газах, що відпрацювали, %. Теоретично необхідна кількість повітря (м 3/кг палива) для спалювання 1кг палива залежить винятково від хімічного складу палива й визначається по відомому співвідношенню: V0 = Vm × Мтеор , O 2, ат м О 2 (7) де Vm - 22,4м 3/кмоль - обсяг 1кмоля повітря для нормальних фізичних умов; О2,атм =0,21 - об'ємна концентрація кисню в атмосферному повітрі, %; Mтеор - теоретично необхідна кількість кисню О2 в кмолях для спалювання 1кг палива. Величина Mт еор визначається по відомій заО2 лежності Р НР SP OP теор С M = + + О2 12 4 32 32 Р Р P (8) Р де С , Н , S , О - масові частки в робочому паливі вуглецю, водню, сірки й кисню. Згідно Держстандарту України ГСТУ32.001-94 [5] хімічний склад дизельного палива для тепловозів характеризується наступними даними: СР=86%; НР=13%, SР=0,5%, ОР=0,5% Ці дані підставимо у формулу (8): 0,86 0,13 0,005 0,005 Mтеор = + + = О2 12 4 32 32 кмоль = 0,1042 кг палива (9) Визначаємо теоретично необхідна кількість повітря для спалювання 1кг палива: V0 = Vm теор 22,4 ×М = × 0,1042 = O2, атм О2 0,21 м3 = 11115 , кг палива . (10) З використанням співвідношень (5) і (10) запишемо вираження для визначення питомої витрати повітря (2): Vуд = V 0 × a S = . (11) 21,0 м3 = 11115 × 0,94 × , 21,0 - O2 кг палива Оскільки питома витрата повітря Vyд відповідає нормальним фізичним умовам, те й фактична витрата повітря Vфакт у формулі (4) повинно бути наведений до нормальних фізичних умов: Т Р , VH = Vфакт × н × (12) факт Т Рн де VH - витрата повітря, наведена до норфакт мальних фізичних умов, м 3/с; Р - тиск повітря, що надходить у дви гун, кПа; Т - температура повітря в Кельвінах; Рн=101,3кПа, Тн=273К - тиск і температура повітря для нормальних фізичних умов. 5 39063 273 Р P 3 H Vфакт = Vфакт × × = 2,695 × Vфакт × м с .(13) Т 101,3 T Використовуючи співвідношення (4) і (11), виразимо витрату палива G через вимірювані величини: G= H Vфакт Р 21,0 - О 2 = × 2,695 × Vфакт × =, Vуд Т 219,4 (14) Р = 0,01228 × Vфакт × × (210 - О 2 ) кг , с Т де Р - статичний тиск газів у місті вимірювання їх витрат, кПа. Таким чином, відповідно до корисної моделі виконуються дії над об'єктом корисної моделі: виміряється фактична витрата повітря, що надходить у двигун вн утрішнього згоряння, його статичний тиск і температуру, об'ємну концентрацію в газах, що відпрацювали, і по формулі (14) розраховують витрату палива G, кг/с. Робота тепловоза пов'язана із частими змінами режиму роботи, при яких істотно змінюються витрата повітря Vфакт і концентрація кисню О2 у газах, що відпрацювали, тому формула (14) справедлива для одного режиму роботи тепловоза. Сумарна витрата палива GS за деякий інтервал часу t дорівнює сумі витрат за певні відрізки часу Dt: GS = n n i= 1 i= 1 å Gi × Dti; å Dti = t , (15) де Gi - витрата палива на і-м режимі роботи ДВЗ, кг/с, обумовлений по формулі (14); Dt - тривалість роботи ДВЗ на і-тім режимі, с; n - число відрізків часу з незмінними режимами роботи ДВЗ. Заміняючи величину Gi його значеннями по формулі (14), одержуємо остаточну формулу для визначення витрати палива двигуном внутрішнього згоряння при його змінному режимі роботи. n é ù Р GS = 0,01228 × å ê Vфакт , і × і 21,0 - О2, і × Dtú .(16) Ті û i =1ë Підвищення надійності визначення витрат палива по пропонованому способу забезпечується тим, що, по-перше, вимірювана витрата повітря Vфакт завжди повністю проходить через двигун внутрішнього згоряння, а по-друге тим, що різні режими роботи двигуна і їхні зміни не вносять збурю ( Комп’ютерна в ерстка C.Литв иненко ) 6 вань у процес виміру витрати повітря Vфакт, його тиск Р, температури Т і концентрації кисню О2 у газах, що відпрацювали. Можливе два варіанти визначення витрати палива по запропонованому способу. По першому варіанту виміряються відрізки часу Dti с незмінними режимами роботи двигуна, на кожному відрізку часу Dti виміряються витрати повітря Vфакт,і, тиску Рі, температури Ті концентрації кисню в газах, що відпрацювали, О2,. Отримані дані підставляються у формулу (16) для визначення витрати палива за інтервал часу t n ( t = å Dti , n - число режимів роботи двигуна). i =1 По другому варіанту датчики вимірюваних величин вибирають такими, щоб вимірювані величини перетворювалися в електричні сигнали, які через інтерфейсний пристрій цифруються й передаються в бортовий процесор. Процесор періодично опитує датчики, їхнього значення обробляє, розраховує й фіксує витрату палива. Застосування ЕОМ дозволяє автоматизувати процес визначення витрати палива. Список використаних джерел: 1. Разработки ЗАО "БИС" для реализации программы энергосбережения "Укрзалізниці" /Левчук А.Е. Международный информационный научнотехнический журнал "Локомотив", №6, 2006, с.34...35. 2. Расходомеры /ООО "АББ Автоматизация" E-mail: automation@ru.abb.con htpp/www. abb.com.ru/. 3. Локомотивные энергетические установки. Учебник для вузов железнодорожного транспорта /А.И. Володин, В.З. Зобанов, В.Д. Кузьмич и др.; Под редакцией А.И. Володина, М.: ИПК "Желдориздат", 2002. -718с. 4. Анализ существующих зависимостей для определения коэффициента избытка воздуха. /Ю.В. Черняк, A.M. Г ущин, О.В. Тр уби хин. Тези 65ой Міжнародної науково-практичної конференції "Проблеми і перспективи розвитку залізничного транспорту ДНУЗТ ім. Лазаряна", 2005. С.40...50. 5. ДСТУ 32:001-94 Галузевий стандарт України. Викиди забруднюючих речовин з відпрацьованими газами тепловозних дизелів. Норми та методи визначення. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601