WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


На правах рукописи

ШАРОМОВ ИВАН МИХАЙЛОВИЧ

СНИЖЕНИЕ ДЫМНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДИЗЕЛЯ 4Ч 11,0/12,5 ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ ЭТАНОЛО-ТОПЛИВНЫХ ЭМУЛЬСИЙ

Специальность 05.04.02 – тепловые двигатели

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург – 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Вятская государственная сельскохозяйственная академия»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Лиханов Виталий Анатольевич

Официальные оппоненты:

Ложкин Владимир Николаевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России», профессор кафедры пожарной, аварийно-спасательной техники и автомобильного хозяйства Рыженков Анатолий Анатольевич, кандидат технических наук, ООО «ГРУЗОМОБИЛЬ-СЕРВИС» города Санкт-Петербург, генеральный директор

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия

Защита диссертации состоится 25 мая 2012 г. в 14.30 на заседании диссертационного совета Д 220.060.05 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «СанктПетербургский государственный аграрный университет» по адресу: 189620 СанктПетербург-Пушкин, Академический проспект, д. 23, ауд. 2.529, факс 465-05-05, d220.060.05@spbgau.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного аграрного университета.

Автореферат разослан и помещен на сайте ВАК Минобрнауки РФ, http://www.spbgau.ru « » 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Салова Тамара Юрьевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Применение в промышленной энергетике, сельском хозяйстве, на водном, железнодорожном, автомобильном транспорте силовых установок с двигателями внутреннего сгорания, которые потребляют жидкие нефтяные моторные топлива, приводит к значительному загрязнению окружающей среды. Проблема снижения токсичности и дымности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания является одной из самых сложных и актуальных проблем современного двигателестроения.

Двигатели тракторов и автомобилей являются одним из основных потребителей нефтяных моторных топлив. Известно, что доля нефти в энергосырьевых ресурсах не превышает 11 % и нефть является ценнейшим сырьем, потребление которого непрерывно возрастает. Наряду с уменьшением запасов нефти происходит удорожание нефтяных топлив.

Следует ожидать, что этот источник энергоснабжения будет скоро исчерпан. Необходимо исследование возможности замены нефтяного топлива на его альтернативные виды не нефтяного происхождения и использования их в двигателях внутреннего сгорания.

Для практической реализации в дизелях возможно использование такого альтернативного топлива, как этиловый спирт. Этанол имеет не нефтяное происхождение, может существенно улучшить экологические показатели дизелей и расширить ресурсы моторного топлива. Наиболее доступным способом применения этанола в качестве топлива для дизелей является его использование в виде эмульсии с ДТ. Исследований же по оценке возможности применения этанола в дизелях в нашей стране недостаточно.

Связь с планами научных исследований. Диссертационная работа выполнена в соответствии с темой № 24 плана НИР ФГБОУ ВПО Вятская ГСХА (г. Киров) на 2006...2010 гг. (номер государственной регистрации 01.2.006-09891).

Целью исследований является снижение дымности отработавших газов дизеля 4Ч 11,0/12,5 путем применения этаноло-топливных эмульсий.

Объект исследований. Дизель 4Ч 11,0/12,5 (Д-240) жидкостного охлаждения с камерой сгорания типа ЦНИДИ трактора МТЗ-80/82, работающий на альтернативном топливе – этаноло-топливной эмульсии (ЭТЭ).

Предмет исследований. Процессы образования и выгорания сажи, экологические, мощностные и экономические показатели дизеля 4Ч 11,0/12,5 с камерой сгорания типа ЦНИДИ при работе на ЭТЭ.

Научную новизну работы представляют:

- результаты лабораторно-стендовых и теоретических исследований влияния применения ЭТЭ на процессы образования и выгорания сажи, экологические, мощностные и экономические показатели дизеля 4Ч 11,0/12,5 с камерой сгорания типа ЦНИДИ;

- уточненный химизм процессов образования и выгорания частиц сажи в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на ЭТЭ;

- уточненная математическая модель образования и выгорания частиц сажи в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на ЭТЭ;

- результаты теоретических расчетов массовой концентрации сажи в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на ДТ и ЭТЭ в зависимости от угла поворота коленчатого вала;

- результаты расчетов показателей сажесодержания в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,при работе на ДТ и ЭТЭ в зависимости от режимов работы.

Практическая ценность работы и реализация результатов исследований.

Материалы диссертации используются в учебном процессе Вятской и Нижегородской государственных сельскохозяйственных академий, Чебоксарском институте (филиале) Московского государственного открытого университета при чтении лекций, выполнении курсовых работ и дипломном проектировании для студентов, обучающихся по специальностям 110301, 190601, 190603 и 190600.62.

Экономическая эффективность. При переходе с ДТ на ЭТЭ экономический эффект от снижения ущерба, наносимого токсичными компонентами ОГ, составит не менее 156523,45 руб. на один двигатель при средней наработке 500 мото-ч в год. При переводе дизеля 4Ч 11,0/12,5 на ЭТЭ суммарная экономия от использования альтернативного моторного топлива составит 37088,45 руб. на один двигатель при средней наработке 500 мото-ч в год.

Апробация работы. Основные результаты и материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на 12 конференциях: на I-й, II-й, III-й, IV-й, V-й Международных научно-практических конференциях «Наука – Технология – Ресурсосбережение», 2009...2012 гг. (ФГБОУ ВПО Вятская ГСХА, г. Киров); 9-й научной конференции аспирантов и соискателей «Науке нового века – знания молодых», 2009 г. (ФГБОУ ВПО Вятская ГСХА, г. Киров); Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и соискателей, посвященной 80-летию Вятской ГСХА «Науке нового века – знания молодых», 2010 г. (ФГБОУ ВПО Вятская ГСХА, г. Киров); Международной научнопрактической конференции молодых ученых, аспирантов и соискателей «Науке нового века – знания молодых», 2011 г. (ФГБОУ ВПО Вятская ГСХА, г. Киров); XI-й, XII-й, XIII-й Международных научно-практических конференциях «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства» (Мосоловские чтения), 2009...2011 гг. (ГОУ ВПО «Марийский ГУ», г. Йошкар-Ола); Международной конференции Двигатель-2010, посвященной 180-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010 г. (МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва).

Публикации результатов исследований. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 28 печатных работах, включая монографию объемом 9,0 п.л., 3 статьи в центральных журналах, входящих в перечень ВАК РФ и статьи общим объемом 8,19 п.л., в т.ч. в сборниках трудов международных и всероссийских конференций опубликовано 23 статьи. Без соавторов опубликовано 6 статей общим объемом 1,75 п.л.

На защиту выносятся следующие основные результаты исследований:

- результаты лабораторно-стендовых и теоретических исследований влияния применения ЭТЭ на процессы образования и выгорания сажи, экологические, мощностные и экономические показатели дизеля 4Ч 11,0/12,5 с камерой сгорания типа ЦНИДИ;

- уточненный химизм процессов образования и выгорания частиц сажи в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на ЭТЭ;

- уточненная математическая модель образования и выгорания частиц сажи в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на ЭТЭ;

- результаты теоретических расчетов массовой концентрации сажи в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на ДТ и ЭТЭ в зависимости от угла поворота коленчатого вала;

- результаты расчетов показателей сажесодержания в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,при работе на ДТ и ЭТЭ в зависимости от режимов работы.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 1страницах, в том числе 114 стр. текста, содержит 31 рисунок и 6 таблиц. Список литературы изложен на 25 стр., включает 247 наименований, в том числе 49 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, изложена научная новизна и практическая значимость работы, сформулирована ее цель, основные положения и результаты исследований, выносимые на защиту.

В первом разделе проведен анализ работ, посвященных рассматриваемой проблеме.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований по использованию в дизелях альтернативных видов топлива отражены в работах Алексеева Д.К., Арсенова Е.Е., Вагнера В.А., Глухова А.А., Ксенофонтова И.В, Кулманакова С.П., Лиханова В.А., Малова Р.В., Матиевского Д.Д., Патрахальцева Н.Н., Плотникова С.А., Полевщикова А.С., Романова С.А., Смаля Ф.В., Торопова А.Е., Хачияна А.С., Чувашева А.Н. и др.

Ученые Махов В.З., Батурин С.А. и Ложкин В.Н. впервые в мире экспериментально исследовали процессы образования сажи непосредственно в цилиндрах дизелей. Инструментально это оказалось столь сложно, что и до настоящего времени это еще никому не удалось повторить.

Образованию сажи посвящены работы Бакирова Ф.Г., Блоха А.Г., Вагнера В.А., Вихерта М.М., Гладышева А.В., Дьяченко Н.Х., Звонова В.А., Лоскутова А.С., Мачульского Ф.Ф., Разлейцева Н.Ф., Смайлиса В.И., Страдомского М.В., Тарана Э.Н., Теснера П.А. и др.

Российскими и зарубежными учеными проведен ряд экспериментальных работ, посвященных вопросам сажеобразования в цилиндре дизеля. Имеются работы по исследованию возможности применения в дизелях этанола в качестве моторного топлива.

Экологические проблемы и повышение цен на нефтепродукты обусловливают необходимость проведения работ, направленных на поиск и применение альтернативных возобновляемых видов топлива. Использование этанола в качестве топлива позволяет снизить токсичность отработавших газов дизелей и значительно расширяет сырьевую базу для получения моторных топлив. Однако исследований по оценке возможности применения этанола в дизелях недостаточно.

Это дает основание полагать, что снижение дымности отработавших газов дизеля 4Ч 11,0/12,5 путем применения этаноло-топливных эмульсий является актуальной научной задачей, которая имеет важное народнохозяйственное значение.

На основании поставленной цели сформулированы задачи исследований:

- провести лабораторно-стендовые и теоретические исследования влияния применения ЭТЭ на процессы образования и выгорания сажи, экологические, мощностные и экономические показатели дизеля 4Ч 11,0/12,5 с КС типа ЦНИДИ;

- разработать уточненный химизм процессов образования и выгорания частиц сажи в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на ЭТЭ;

- уточнить математическую модель образования и выгорания частиц сажи в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на ЭТЭ;

- провести теоретические расчеты массовой концентрации сажи в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на ДТ и ЭТЭ в зависимости от угла поворота коленчатого вала;

- провести расчеты показателей сажесодержания в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на ДТ и ЭТЭ в зависимости от режимов работы.

Во втором разделе представлены теоретические предпосылки снижения дымности ОГ дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на ЭТЭ. Поскольку сажа является метастабильным продуктом процесса горения, то нельзя исключать возможность существования нескольких путей перехода в это состояние (рис. 1). При работе дизеля на ЭТЭ основное количество сажи в составе ОГ образуется при сгорании ДТ. Особенности образования сажи при сгорании ДТ в цилиндре дизеля детально рассмотрены в трудах многих ученых.

Этанол оказывает существенное влияние на процессы образования и выгорания сажи. При этом значительную роль играют особенности горения эмульгированных топлив.

Рассмотрим возможный механизм образования сажи из этанола. При его сгорании образуются углекислый газ и вода:

С2Н5OH 3O2 2CO2 3H2O. (1) Образование частиц сажи в цилиндре дизеля может происходить в результате пиролиза молекул топлива в зонах сильно переобогащенной смеси. В таких условиях при распаде молекулы этанола возможно выделение углерода.

При окислении этанола происходит образование молекул, содержащих группу ОН и ускоряющих окислительные процессы. Вероятны следующие направления реакций:

С2Н5OH С2Н5 OH; (2) С2Н5OH H С2Н5 H2O ; (3) С2Н5OH С2Н4 H2O; (4) С2Н5 СН3 CH2 ; (5) С2Н5OH O С2Н5O OH; (6) С2Н5O СН3O CH2. (7) Далее окисление идет через последовательность реакций образования промежуточных продуктов, осуществляющих переход реагирующей системы к конечным продуктам. Промежуточными продуктами могут быть молекулы с группой ОН, атомы водорода, кислорода, свободные радикалы.

Затем из радикалов СН3, СН3О Рис. 1 – Химизм процесса образования сажи в цилин- дегидрированием образуется атомардре дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на ЭТЭ ный углерод С:

H H H СН3 СН2 CH C; (8) H H OH СН3O СН2O CHO C. (9) Радикалы СН3 и ОН могут вступать в реакцию с молекулой этанола. Также радикалы ОН участвуют в реакциях с радикалами углеводородов с образованием молекул воды:

С2Н5OH CH3 2CH4 CHO ; (10) С2Н5OH OH C2H5O H2O; (11) СН4 OH CH3 H2O ; (12) С2Н5 OH C2H4 H2O. (13) На следующем этапе в результате промежуточных реакций происходит термическое разложение углеводородов с образованием ацетилена С2Н2:

С2Н4 C2H2 H2 ; (14) СН2 СН3 C2H2 H2 H. (15) Термическое разложение ацетилена приводит к образованию радикалов-зародышей, которые в дальнейшем могут окисляться с образованием атомарного углерода и воды:

С2Н2 C2H H; (16) C2H OН 2C H2O. (17) Далее молекулы воды участвуют в окислении сажевых частиц. Одновременно с образованием сажевых частиц происходит выгорание, что ведет к уменьшению их размеров и массового выхода в целом. Основными являются реакции:

С O2 CO2 ; (18) С 2Н2O CO2 2H2 ; (19) С CO2 2CO. (20) Рациональное сочетание расчета и эксперимента позволяет повысить эффективность работ по улучшению экологических показателей дизелей и расширить границы исследования. Предложенная уточненная математическая модель динамики образования и выгорания сажи в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 включает в себя основные влияющие факторы, сравнительно проста, достаточно достоверна и может быть использована для прогнозирования показателей сажесодержания при работе на ДТ и ЭТЭ.

Скорость изменения концентрации сажи в объеме цилиндра:

dC dC U dC 1 dC dC, U (21) d d d d d к п U в V где U – коэффициент для учета скоростного режима;

dC – скорость образования сажи в области сгорания;

d к dC – скорость образования сажи при полимеризации центра капель;

d п dC – скорость выгорания сажи;

d в dC – скорость уменьшения концентрации сажи при расширении.

d V Коэффициент U в уравнении сажевыделения вводится для учета скоростного режима при расчете динамики образования сажевых частиц:

m nном U A , (22) n где n – частота вращения коленчатого вала двигателя;

nном – частота вращения коленчатого вала двигателя на номинальном режиме;

A, m – эмпирические коэффициенты.

Выражение для скорости образования сажи в области сгорания в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 имеет следующий вид:

dC 0,004 qс d , (23) d V d к где qс – цикловая подача топлива;

V – текущий объем цилиндра.

Скорость образования сажи при полимеризации центра капель пропорциональна скорости испарения жидких капель:

dC B1 qс dS , (24) d V d п где В1 – коэффициент пропорциональности;

– доля массы капли, превращающаяся в сажевую частицу;

S –массовая доля капель диаметром менее dk;

dk – начальный диаметр капель, испаряющихся полностью за время .

dк К , (25) где К – константа испарения.

Дисперсность распыливания топлива оценивают с помощью характеристик распределения капель по размерам. В теории испарения и горения струй распыленного топлива используется формула Розина – Раммлера:

к S 1 ed d32n', (26) где d32 – средний диаметр капель;

n' – коэффициент распределения, для дизельных форсунок n' = 2...4.

На разных стадиях процесса расчет ведется по разным уравнениям.

Выражение для скорости образования сажи при полимеризации центра капель в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 в период впрыска:

n' K 1 - 1- exp ' d32 dC 1,7 qс , (27) d впр п V где 1 – текущее время с начала впрыска;

впр – продолжительность впрыска.

Для периода после окончания впрыска топлива выражение имеет вид:

n' n' " K 2 K 2 dC 0,00281 квпр n'qc exp, (28) d 2V 2 d32 d32 п где квпр – доля теплоты, выделившаяся к моменту окончания впрыска;

2 – текущее время после окончания впрыска.

Поскольку на поверхности частицы возможны не только реакции углерода с кислородом, но и с углекислым газом, атомами и радикалами, скорость выгорания сажи пропорциональна общему давлению в цилиндре р:

dC 3,1106 n0.5 pC, (29) d в где n – частота вращения коленчатого вала;

р – текущее давление в цилиндре, МПа;

[C] – текущая концентрация сажи в цилиндре.

Скорость уменьшения концентрации сажи в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 при расширении определяется по выражению:

dC 0,75 6n dV C. (30) d V d V На рис. 2, а представлены результаты теоретических расчетов массовой концентрации сажи Стеор в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на ДТ и ЭТЭ в зависимости от угла п.к.в. на номинальном режиме при значении установочного УОВТ впр = 23 до ВМТ.

Расчеты проведены на основе предложенной выше уточненной математической модели. Максимальное теоретическое значение массовой концентрации сажи при n = 2200 мин -1 снижается с Сmax дт теор = 1,947 г/м3 при работе на ДТ до Сmax этэ теор = 0,550 г/м3 при работе на ЭТЭ. Снижение составляет 1,397 г/м3. Теоретическое значение массовой концентрации сажи в цилиндре в момент открытия выпускного клапана (Свых теор = 124,0 п.к.в. после ВМТ) снижается с Свых дт теор = 0,144 г/м3 при работе на ДТ до Свых этэ теор = 0,041 г/м3 при работе на ЭТЭ. Снижение составляет 0,103 г/м3.

Результаты теоретических расчетов массовой концентрации сажи Стеор в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от угла п.к.в. на режиме максимального крутящего момента при значении установочного УОВТ впр = 23 до ВМТ представлены на рис. 2, б.

Максимальное теоретическое значение массовой концентрации сажи при n = 1700 мин -1 снижается с Сmax дт теор = 1,722 г/м3 при работе на ДТ до Сmax этэ теор = 0,410 г/м3 при работе на ЭТЭ. Снижение составляет 1,312 г/м3. Теоретическое значение массовой концентрации сажи в цилиндре в момент открытия выпускного клапана (Свых теор = 124,0 п.к.в. после ВМТ) снижается с Свых дт теор = 0,123 г/м3 при работе на ДТ до Свых этэ теор = 0,030 г/м3 при работе на ЭТЭ. Снижение составляет 0,093 г/м3.

В третьем разделе представлена методика, по которой проводились экспериментальные исследования, а также созданная экспериментальная установка, использованные приборы и оборудование. При стендовых испытаниях дизеля, газовом анализе ОГ, монтаже и эксплуатации приборов и оборудования учитывались требования: ГОСТ 10578-95, ГОСТ 10579-88, ГОСТ 15888-90, ГОСТ 17.2.1.02-76, ГОСТ 17.2.2.01-84, ГОСТ 17.2.1.03-84, ГОСТ 17.2.2.02-98, ГОСТ а) 17.2.2.05-97, ГОСТ 18509-88, ГОСТ Р 17.2.2.07-2000, ГОСТ Р 51249-99, ГОСТ Р 51350-99. Экспериментальная установка включала в себя электротормозной стенд SAK-N670 (Германия) с балансирной маятниковой машиной, дизель 4Ч 11,0/12,5, измерительную аппаратуру. Испытания на всех нагрузочных и скоростных режимах работы дизеля проводились с использованием летнего ДТ (ГОСТ 305-82), моторного масла М-10-Г2 (ГОСТ 858178), этанола (ГОСТ Р 51652б) 2000). Обработка индикаторных Рис. 2 – Результаты теоретических расчетов массовой диаграмм рабочего процесса диконцентрации сажи Стеор в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,зеля осуществлялась с помощью при работе на ДТ и ЭТЭ в зависимости от угла п.к.в. при ЭВМ по методике ЦНИДИвпр = 23 до ВМТ: а) n = 2200 мин -1; б) n = 1700 мин -1;

ЦНИИМ. Отбор и анализ проб ОГ - ДТ; - ЭТЭ производился с помощью автоматической системы газового анализа АСГА-Т. Определение дымности отработавших газов (ОГ) проводилось с помощью дымомера Bosch EFAW-68A.

В четвертом разделе представлены результаты применения ЭТЭ для снижения дымности ОГ дизеля 4Ч 11,0/12,5. Применялась ЭТЭ следующего состава: ДТ – 67,5 %, этиловый спирт – 25 %, вода – 7 %, присадка – 0,5 %.

На рис. 3 представлено изменение показателей процесса сгорания и сажесодержания в цилиндре и ОГ дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на ДТ и ЭТЭ в зависимости от установочного УОВТ на номинальном режиме (n = 2200 мин -1, ре = 0,64 МПа). Анализ зависимостей показал, что при переходе с ДТ на альтернативное топливо ЭТЭ при всех значениях установочного УОВТ наблюдается существенное снижение расчетных и опытных значений показателей сажесодержания в момент открытия выпускного клапана. Минимальные значения показателей сажесодержания при работе на ДТ и ЭТЭ достигаются при значении установочного УОВТ впр = 23 до ВМТ.

При этом расчетная массовая концентрация сажи в цилиндре в момент открытия выпускного клапана снижается c Свых дт расч = 0,146 г/м3 при работе на ДТ до Свых этэ расч = 0,043 г/мпри работе на ЭТЭ, т.е. в 3,4 раза.

Расчетное количество частиц сажи в единице объема цилиндра в момент открытия выпускного клапана при работе на ЭТЭ также ниже, чем при работе на ДТ:

0,675106 мм-3 и 2,291106 мм-3 соответственно. Массовая концентрация сажи в момент открытия выпускного клапана, полученная опытным путем, при работе на ЭТЭ значительно ниже, чем при работе на ДТ. Значение Свых опыт снижается с 0,155 г/м3 при работе Рис. 3 – Изменение показателей процесса сгорания и сажена ДТ до 0,047 г/м3 при работе на содержания в цилиндре и ОГ дизеля 4Ч 11,0/12,5 при рабоЭТЭ. Наблюдается снижение конте на ДТ и ЭТЭ в зависимости от установочного УОВТ при центрации в 3,3 раза.

n = 2200 мин -1, ре = 0,64 МПа:

Изменение показателей - ДТ; - ЭТЭ процесса сгорания и сажесодержания в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на ДТ и ЭТЭ в зависимости от угла п.к.в.

на номинальном режиме (n = 2200 мин -1, ре = 0,64 МПа) при значении установочного УОВТ впр = 23 до ВМТ представлено на рис. 4.

Максимальное значение давления сгорания увеличивается с рz max = 8,40 МПа при работе на ДТ до рz max = 8,90 МПа при работе на ЭТЭ. Давление сгорания при работе на ДТ достигает своего максимального значения при рz max = 5,0 п.к.в. после ВМТ, а при работе на ЭТЭ при рz max = 10,0 п.к.в. после ВМТ.

Осредненная температура цикла при работе на ДТ достигает своеРис. 4 – Изменение показателей процесса сгорания и сажего максимума Tmax = 2115 К при содержания в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на Tmax = 7,0 п.к.в. после ВМТ. При ДТ и ЭТЭ в зависимости от угла п.к.в. при впр = 23 работе на ЭТЭ Tmax = 2511 К при до ВМТ, n = 2200 мин -1, ре = 0,64 МПа:

Tmax = 11,5 п.к.в. после ВМТ.

- ДТ; - ЭТЭ При работе на ДТ расчетная массовая концентрация сажи Сдт расч и количество частиц сажи Nдт расч в единице объема в цилиндре достигают своего максимального значения через Сmax дт расч = 4,0 п.к.в. после ВМТ. При этом Сmax дт расч = 1,902 г/м3, Nmax дт расч = 29,830106 мм-3. Далее, в процессе выгорания, концентрация сажи снижается до Свых дт расч = 0,146 г/м3, количество частиц до Nвых дт расч = 2,291106 мм-3 (Свых = 124,0 п.к.в.

после ВМТ). Показатели снижаются на 92,3 %.

При работе на ЭТЭ расчетная массовая концентрация сажи Сэтэ расч и количество частиц сажи Nэтэ расч в единице объема в цилиндре достигают своего максимального значения через Сmax этэ расч = 8,0 п.к.в. после ВМТ. При этом Сmax этэ расч = 0,528 г/м3, Nmax этэ расч = 8,286106 мм-3. В процессе выгорания концентрация снижается до Свых этэ расч = 0,043 г/м3, количество частиц до Nвых этэ расч = 0,675106 мм-(Свых = 124,0 п.к.в. после ВМТ). Показатели снижаются на 91,9 %.

Изменение показателей процесса сгорания и сажесодержания в цилиндре и ОГ дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на ДТ и ЭТЭ в зависимости от нагрузки на номинальной частоте вращения (n = 2200 мин -1) при значении установочного УОВТ впр = 23 до ВМТ представлено на рис. 5.

При работе дизеля на ДТ увеличение нагрузки сопровождается ростом величин максимального давления сгорания рz max и максимальной осредненной температуры цикла Tmax.

При ре = 0,13 МПа величина рz max составляет 7,2 МПа, при ре = 0,69 МПа возрастает до 8,48 МПа. Происходит увеличение на 1,28 МПа. Максимальная осредненная температура цикла Tmax возрастает с 1485 К при ре = 0,13 МПа до 2180 К при ре = 0,69 МПа. Происходит увеличение на 695 К.

Проведенные расчеты показывают, что расчетная массовая концентрация сажи в цилиндре в момент открытия выпускного клапана (Свых = 124,0 п.к.в. после ВМТ) Свых дт расч возрастает с 0,011 г/м3 при ре = 0,13 МПа до 0,217 г/м3 при ре = 0,69 МПа, т.е.

в 19,7 раза. Расчетное количество частиц сажи в единице объема в Рис. 5 – Изменение показателей процесса сгорания и сажецилиндре дизеля Nвых дт расч возсодержания в цилиндре и ОГ дизеля 4Ч 11,0/12,5 работе на растает с 0,174106 мм-3 до ДТ и ЭТЭ в зависимости от нагрузки при впр = 23 3,413106 мм-3. Массовая концендо ВМТ, n = 2200 мин -1;

трация сажи в момент открытия - ДТ; - ЭТЭ выпускного клапана, полученная опытным путем, Свых дт опыт возрастает с 0,012 г/м3 при ре = 0,13 МПа до 0,242 г/м3 при ре = 0,69 МПа. Происходит увеличение на 0,23 г/м3, или в 20,2 раза.

При работе на ЭТЭ увеличение нагрузки сопровождается ростом показателей рz max и Tmax. Отсутствие значений показателей процесса сгорания при ре < 0,38 МПа связано с нестабильностью горения. При ре = 0,38 МПа величина рz max составляет 6,3 МПа, при ре = 0,69 МПа возрастает до 9,1 МПа. Рост составляет 2,8 МПа. Максимальная осредненная температура цикла Tmax возрастает с 2233 К при ре = 0,38 МПа до 2530 К при ре = 0,69 МПа. Рост температуры составляет 297 К.

Из графиков видно, что показатели сажесодержания при работе на ЭТЭ значительно ниже, чем при работе на ДТ, во всем диапазоне изменения нагрузки. С ростом нагрузки от ре = 0,38 МПа до ре = 0,69 МПа расчетная массовая концентрация сажи в цилиндре в момент открытия выпускного клапана Свых этэ расч возрастает с 0,0020 г/м3 до 0,078 г/м3, т.е. в 39 раз. Расчетное количество частиц сажи в единице объема цилиндра Nвых этэ расч увеличивается с 0,031106 мм-3 до 1,221106 мм-3. Массовая концентрация сажи в момент открытия выпускного клапана, полученная опытным путем, Свых этэ опыт возрастает с 0,0022 г/м3 до 0,086 г/м3. Увеличение составляет 0,084 г/м3, или в 39,1 раза.

Изменение показателей процесса сгорания и сажесодержания в цилиндре и ОГ дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на ДТ и ЭТЭ в зависимости от частоты вращения коленчатого вала при значении установочного УОВТ впр = 23 до ВМТ представлено на рис. 6.

При увеличении частоты вращения снижаются максимальные значения давления сгорания при работе на ДТ и на ЭТЭ. Показатели сажесодержания в цилиндре и ОГ дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на ЭТЭ находятся существенно ниже аналогичных значений дизельного процесса. Расчетная массовая концентрация сажи в цилиндре дизеля Свых расч в момент открытия выпускного клапана при n = 1200 мин -1 снижается с 0,109 г/м3 при работе на ДТ до 0,030 г/м3 при работе на ЭТЭ. Концентрация снижается на 72,7 %. При n = 2400 мин -1 расчетная концентрация снижается с 0,156 г/м3 при работе на ДТ до 0,053 г/м3 при работе на ЭТЭ.

Расчетная концентрация сажи в Рис. 6 – Изменение показателей процесса сгорания и сажецилиндре снижается на 66,2 %.

содержания в цилиндре и ОГ дизеля 4Ч 11,0/12,5 при раМассовая концентрация боте на ДТ и ЭТЭ в зависимости от частоты вращения косажи в момент открытия выпускленчатого вала при впр = 23 до ВМТ:

ного клапана, полученная опыт - ДТ; - ЭТЭ ным путем, при переходе с ДТ на ЭТЭ значительно снижается во всем диапазоне изменения частоты вращения. При n = 1200 мин -1 опытная концентрация снижается с Свых дт опыт = 0,119 г/м3 при работе на ДТ до Свых этэ опыт = 0,033 г/м3 при работе на ЭТЭ. Снижение составляет 0,086 г/м3, или 72,3 %.

При частоте вращения коленчатого вала n = 2400 мин -1 опытная концентрация снижается с Свых дт опыт = 0,171 г/м3 при работе на ДТ до Свых этэ опыт = 0,058 г/м3 при работе на ЭТЭ.

Снижение составляет 0,113 г/м3, или 66,1 %.

В пятом разделе представлена оценка экономической эффективности использования ЭТЭ в качестве моторного топлива для дизеля 4Ч 11,0/12,5. При переводе дизеля 4Ч 11,0/12,5 на альтернативное топливо ЭТЭ суммарная экономия составит 37088,45 руб.

на один двигатель при средней наработке 500 мото-ч в год.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. На основании проведенных экспериментальных и теоретических исследований установлена возможность снижения дымности ОГ дизеля 4Ч 11,0/12,5 путем применения этаноло-топливных эмульсий. Установлено, что при работе дизеля на номинальном режиме на ДТ и ЭТЭ оптимальным является значение установочного УОВТ впр = 23 до ВМТ при сохранении мощностных показателей на уровне серийного дизеля.

2. На основании теоретических исследований предложены:

- уточненный химизм процессов образования и выгорания частиц сажи в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на ЭТЭ;

- уточненная математическая модель образования и выгорания частиц сажи в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на ЭТЭ.

3. Теоретическими расчетами определены значения массовой концентрации сажи Стеор в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на ДТ и ЭТЭ в зависимости от угла п.к.в.

При n = 2200 мин -1 и оптимальных установочных УОВТ максимальное теоретическое значение массовой концентрации сажи в цилиндре Сmax дт теор при работе на ДТ достигается при Сmax теор = 4,0 п.к.в. после ВМТ и составляет 1,947 г/м3. При работе на ЭТЭ Сmax этэ теор = 0,550 г/м3 при Сmax теор = 8,0 п.к.в. после ВМТ. Максимальное теоретическое значение массовой концентрации сажи Сmax теор при работе на ЭТЭ снижается в 3,5 раза.

Массовая концентрация сажи в цилиндре в момент открытия выпускного клапана (Свых теор = 124,0 п.к.в. после ВМТ) при работе на ДТ Свых дт теор = 0,144 г/м3, а при работе на ЭТЭ Свых этэ теор = 0,041 г/м3. Выходное значение Свых теор при работе на ЭТЭ снижается в 3,5 раза.

При n = 1700 мин -1 и оптимальных установочных УОВТ максимальное теоретическое значение массовой концентрации сажи в цилиндре Сmax дт теор при работе на ДТ достигается при положении поршня в ВМТ (Сmax дт расч = 0,0 п.к.в) и составляет 1,722 г/м3. При работе на ЭТЭ Сmax этэ теор = 0,410 г/м3 при Сmax теор = 6,0 п.к.в. после ВМТ. Максимальное теоретическое значение массовой концентрации сажи Сmax теор при работе на ЭТЭ снижается в 4,2 раза. Массовая концентрация сажи в цилиндре в момент открытия выпускного клапана при Свых теор = 124,0 п.к.в. после ВМТ при работе на ДТ Свых дт теор = 0,123 г/м3, а при работе на ЭТЭ Свых этэ теор = 0,030 г/м3. Выходное значение Свых теор при работе на ЭТЭ снижается в 4,1 раза.

4. Экспериментальными исследованиями и расчетным путем определены значения массовой концентрации сажи Срасч и количества частиц сажи Nрасч в единице объема в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на ДТ и ЭТЭ в зависимости от угла п.к.в. при оптимальных установочных УОВТ.

На номинальном режиме работы (n = 2200 мин -1, ре = 0,64 МПа) при переходе с ДТ на ЭТЭ максимальные значения расчетной массовой концентрации сажи Сmax расч и расчетного количества частиц сажи Nmax расч в единице объема цилиндра дизеля снижаются в 3,6 раза. Значения расчетной массовой концентрации сажи Свых расч и расчетного количества частиц сажи Nвых расч, соответствующие моменту открытия выпускного клапана (Свых = 124,0 п.к.в. после ВМТ), снижаются в 3,4 раза.

На режиме максимального крутящего момента (n = 1700 мин -1, ре = 0,69 МПа) при переходе с ДТ на ЭТЭ максимальные значения расчетной массовой концентрации сажи Сmax расч и расчетного количества частиц сажи Nmax расч в единице объема цилиндра дизеля снижаются в 4,3 раза. Значения расчетной массовой концентрации сажи Свых расч и расчетного количества частиц сажи Nвых расч, соответствующие моменту открытия выпускного клапана (Свых = 124,0 п.к.в. после ВМТ), снижаются в 4,0 раза.

5. Экспериментальными исследованиями и расчетным путем определены выходные значения массовой концентрации сажи Свых расч, Свых опыт и количества частиц сажи Nвых расч в единице объема в цилиндре и ОГ дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от нагрузки. При n = 2200 мин -1, ре = 0,64 МПа и оптимальных установочных УОВТ расчетная массовая концентрация сажи в цилиндре снижается c Свых дт расч = 0,146 г/м3 при работе на ДТ до Свых этэ расч = 0,043 г/м3 при работе на ЭТЭ. Происходит снижение в 3,4 раза. Расчетное количество частиц сажи в единице объема цилиндра Nвых расч при работе на ЭТЭ также ниже, чем при работе на ДТ: 0,675106 мм-3 и 2,291106 мм-3 соответственно. Массовая концентрация сажи в момент открытия выпускного клапана, полученная опытным путем, Свых опыт снижается с 0,155 г/м3 при работе на ДТ до 0,047 г/м3 при работе на ЭТЭ, т.е. в 3,3 раза.

6. Экспериментальными исследованиями и расчетным путем определены выходные значения массовой концентрации сажи Свых расч, Свых опыт и количества частиц сажи Nвых расч в единице объема в цилиндре и ОГ дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от частоты вращения коленчатого вала при оптимальных значениях установочного УОВТ. Расчетная массовая концентрация сажи в цилиндре Свых расч при n = 1200 мин -1 снижается с 0,109 г/м3 при работе на ДТ до 0,030 г/м3 при работе на ЭТЭ, т.е. в 3,6 раза. При n = 2400 мин -1 Свых расч снижается с 0,156 г/м3 при работе на ДТ до 0,053 г/м3 при работе на ЭТЭ, т.е. в 2,9 раза.

Расчетное количество частиц сажи Nвых расч при n = 1200 мин -1 снижается с 1,716106 мм-при работе на ДТ до 0,468106 мм-3 при работе на ЭТЭ. При n = 2400 мин -1 Nвых расч снижается с 2,442106 мм-3 при работе на ДТ до 0,825106 мм-3 при работе на ЭТЭ. При n = 1200 мин -1 массовая концентрация сажи в момент открытия выпускного клапана Свых опыт, полученная опытным путем, снижается с 0,119 г/м3 при работе на ДТ до 0,033 г/мпри работе на ЭТЭ, т.е. в 3,6 раза. При n = 2400 мин -1 Свых опыт снижается с 0,171 г/м3 при работе на ДТ до 0,058 г/м3 при работе на ЭТЭ, т.е. в 2,9 раза.

7. При переводе дизеля 4Ч 11,0/12,5 на ЭТЭ суммарная экономия от использования альтернативного моторного топлива составит 37088,45 руб. на один двигатель при средней наработке 500 мото-ч в год.

Положения диссертации опубликованы в 28 печатных работах, основные из которых следующие:

Монография:

1. Лиханов В.А., Шаромов И.М. Снижение дымности отработавших газов дизеля 4Ч 11,0/12,5 путем применения этаноло-топливных эмульсий: Монография. Киров: Вятская ГСХА, 2012. 144 с.

Статьи в изданиях, входящих в «Перечень … ВАК Минобразования и науки РФ»:

2. Влияние применения этаноло-топливной эмульсии на эффективные показатели дизеля 4Ч 11,0/12,5 / В.А. Лиханов, А.И. Чупраков, А.В. Зонов, И.М. Шаромов // Транспорт на альтернативном топливе. 2011. № 4. С. 50-53.

3. Влияние применения этаноло-топливной эмульсии на индикаторные, экологические показатели и характеристики тепловыделения дизеля / В.А. Лиханов, А.И. Чупраков, А.В. Зонов, И.М. Шаромов // Тракторы и сельхозмашины. 2011. № 9. С. 13-15.

4. Этаноло-топливная эмульсия и ее влияние на характеристики дизеля Д-240 / В.А. Лиханов, А.И. Чупраков, А.В. Зонов, И.М. Шаромов // Автомобильная промышленность. 2012. № 3. С. 28-29.

Статьи:

5. Шаромов И.М. Образование сажи в цилиндре дизеля при работе на этанолотопливной эмульсии // Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства: Мосоловские чтения: материалы Междунар. науч.-практ. конф. Вып. XI / Мар. гос. ун-т. Йошкар-Ола, 2009. С. 214-216.

6. Шаромов И.М. Опыт применения этанола в двигателях разных типов // Науке нового века – знания молодых: Сборник статей 9-й науч. конф. аспирантов и соискателей. В 2 ч. Ч. II. Киров: Вятская ГСХА, 2009. С. 67-70.

7. Шаромов И.М., Лиханов В.А. Процессы воспламенения и горения этанолотопливной эмульсии в цилиндре дизеля // Науке нового века – знания молодых. Материалы Всероссийской науч.-практ. конф. молодых ученых, аспирантов и соискателей, посвященной 80-летию Вятской ГСХА: сб. науч. тр. В 3 ч. Ч. II. Биологические науки, ветеринарные науки, технические науки. Киров: Вятская ГСХА, 2010. С. 232-239.

8. Шаромов И.М. Образование токсичных компонентов в цилиндре дизеля при работе на этаноло-топливной эмульсии // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей внутреннего сгорания: Материалы III Междунар. науч.-практ. конф. «Наука – Технология – Ресурсосбережение», посвященной 100-летию со дня рождения профессора А.М. Гуревича: сб. науч. тр. Киров: Вятская ГСХА, 2010. Вып. 8. С. 159-163.

9. Шаромов И.М., Зонов А.В., Чупраков А.И. Анализ свойств этаноло-топливных эмульсий // Сб. науч. тр. Междунар. конф. Двигатель-2010, посвященной 180-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана // Под ред. Н.А. Иващенко, В.А. Вагнера, Л.В. Грехова. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. С. 416-420.

10. Влияние применения этаноло-топливной эмульсии на экологические показатели дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения нагрузки / В.А. Лиханов, И.М. Шаромов, А.В. Зонов, А.И. Чупраков // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей внутреннего сгорания. Материалы IV Междунар. науч.-практ. конф. «Наука – Технология – Ресурсосбережение»: сб. науч. тр. Киров: Вятская ГСХА, 2011. Вып. 9. С. 105-109.

11. Снижение дымности отработавших газов дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на этаноло-топливной эмульсии / В.А. Лиханов, И.М. Шаромов, А.В. Зонов, А.И. Чупраков // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей внутреннего сгорания. Материалы IV Междунар. науч.-практ. конф. «Наука – Технология – Ресурсосбережение»: сб. науч. тр.

Киров: Вятская ГСХА, 2011. Вып. 9. С. 110-113.

12. Шаромов И.М., Зонов А.В., Чупраков А.И. Влияние применения этанолотопливной эмульсии на показатели процесса сгорания и сажесодержания в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей внутреннего сгорания. Материалы IV Междунар. науч.-практ. конф. «Наука – Технология – Ресурсосбережение»: сб. науч. тр.

Киров: Вятская ГСХА, 2011. Вып. 9. С. 151-154.

13. Шаромов И.М., Зонов А.В., Чупраков А.И. Образование бенз(а)пирена и зародышей сажи // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей внутреннего сгорания. Материалы IV Междунар. науч.-практ. конф. «Наука – Технология – Ресурсосбережение»: сб. науч. тр. Киров: Вятская ГСХА, 2011. Вып. 9. С. 154-159.

14. Влияние применения этаноло-топливной эмульсии на токсические показатели дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала / В.А. Лиханов, А.В. Зонов, А.И. Чупраков, И.М. Шаромов // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей внутреннего сгорания. Материалы IV Междунар. науч.-практ.

конф. «Наука – Технология – Ресурсосбережение»: сб. науч. тр. Киров: Вятская ГСХА, 2011. Вып. 9. С. 39-41.

15. Влияние применения этаноло-топливных эмульсий на показатели процесса сгорания и характеристики тепловыделения дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения нагрузки / В.А. Лиханов, А.И. Чупраков, А.В. Зонов, И.М. Шаромов // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей внутреннего сгорания. Материалы IV Междунар.

науч.-практ. конф. «Наука – Технология – Ресурсосбережение»: сб. науч. тр. Киров: Вятская ГСХА, 2011. Вып. 9. С. 88-94.

16. Индикаторные показатели дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на этаноло-топливной эмульсии / В.А. Лиханов, А.И. Чупраков, А.В. Зонов, И.М. Шаромов // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей внутреннего сгорания. Материалы IV Междунар.

науч.-практ. конф. «Наука – Технология – Ресурсосбережение»: сб. науч. тр. Киров: Вятская ГСХА, 2011. Вып. 9. С. 100-104.

17. Шаромов И.М., Зонов А.В., Чупраков А.И. Влияние применения этанолотопливной эмульсии на процессы образования и выгорания сажи в цилиндре дизеля // Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства: Мосоловские чтения: материалы Междунар. науч.-практ. конф. Вып.

XIII / Мар. гос. ун-т. Йошкар-Ола, 2011. С. 236-238.

18. Зонов А.В., Чупраков А.И., Шаромов И.М. Анализ эффективных показателей дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения УОВТ при работе на этаноло-топливной эмульсии // Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства: Мосоловские чтения: материалы Междунар. науч.практ. конф. Вып. XIII / Мар. гос. ун-т. Йошкар-Ола, 2011. С. 228-230.

19. Расчет скорости выгорания мелкодисперсной сажистой фазы в цилиндре дизеля / И.М. Шаромов, А.В. Зонов, А.И. Чупраков, В.А. Лиханов // Науке нового века – знания молодых. Материалы Междунар. науч.-практ. конф. молодых ученых, аспирантов и соискателей: сб. науч. тр. В 3 ч. Ч. II. Биологические, ветеринарные и технические науки. Киров: Вятская ГСХА, 2011. С. 173-181.

Заказ №. Подписано к печати 2012 г.

Объем 1,0 п.л. Тираж 100 экз. Бумага офсетная.

Цена договорная.

610017, Киров, Вятская ГСХА, Октябрьский проспект, 133.

Отпечатано в типографии Вятской ГСХА, г. Киров, 2012 г.







© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.