РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ

ИНЖЕНЕРНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ

УДК 621. 436. 001

На правах рукописи

ФЕРНАНДО КУМАРА ПАТАБЕНДИГЕ ИМАЛ Д.

(ШРИ-ЛАНКА)

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И

ЭКОЛОГИЧЕСКИХ КАЧЕСТВ ДИЗЕЛЯ ТИПА Д-240

ДОБАВКОЙ ЭТАНОЛА

К ОСНОВНОМУ ТОПЛИВУ

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

по специальности 05.04.02 – тепловые двигатели Москва 2011

Работа выполнена на кафедре теплотехники и тепловых двигателей Российского университета дружбы народов.

Научный руководитель: Заслуженный работник высшей школы РФ, доктор технических наук, профессор Патрахальцев Николай Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Марков Владимир Анатольевич, кандидат технических наук, ст.н.с.

Пономарёв Евгений Григорьевич.

Ведущее предприятие: Московский автомобильно – дорожный институт (государственный технический университет (МАДИ – ГТУ)

Защита диссертации состоится “” _октября 2011 г. в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д 212.203.33 ВАК РФ при Российском университете дружбы народов по адресу:

117302, г. Москва, ул. Подольское шоссе, 8/5. ауд. 431.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Российского университета дружбы народов по адресу:

117198, Москва, ул. Миклухо – Маклая, д. 6.

Автореферат разослан «_» 20_ г.

Отзывы на автореферат просим представлять в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью, в адрес диссертационного совета.

Телефоны для справок: 952-67-87, 952-62-47.

E-mail: nikpatrah@mail.ru Учёный секретарь диссертационного совета Д 212.203. профессор Л. В. Виноградов

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ, ПРИНЯТЫЕ В РАБОТЕ

БиоЭт – биоэтанол, ВСХ – внешняя скоростная характеристика, ДВСХ – динамическая внешняя скоростная характеристика, ЛВД - линия высокого давления топлива, ЛНД - линия низкого давления топлива, ПзВТ – период задержки воспламенения топлива, РНД - регулирование начального давления, СОЦЦ – система отключения цилиндров и циклов, СП – спирт, СпТЭ – спирто – топливная эмульсия, ФХР - физико - химическое регулирование, ЭТ – этанол, ЭТЭ – этаноло – топливная эмульсия, Ме – эффективный крутящий момент двигателя (Нм), Мс – момент сопротивления вращению вала дизеля (Нм), рг – текущее давление газов в цилиндре (МПа), Рнач. , Рост., - начальное и остаточное давления в ЛВД (МПа), Рг., Тг. – текущие давление и температура в цилиндре (МПа, К), Тс – температура в цилиндре в конце сжатия (К), hи, h pнд – ход иглы форсунки, ход клапана РНД, hо.рнд – ограничение хода клапана РНД, r – теплота парообразования (кДж/кг), t, tпр. – время, время приёмистости (с), n, – частота вращения (1/мин), – угловая скорость вращения вала (рад/с), р., в. – угловые ускорения разгона и выбега (рад/c2), – угол поворота коленчатого вала коленчатого вала (град. п. к. в.), – коэффициент теплоиспользования (активного тепловыделения), d/d – скорость теплоиспользования (oп.к.в.-1).

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Прогнозы отмечают опасность скорого истощения запасов нефти. Кроме того, технология добычи нефти существенно усложняется. Усложняется и удорожает переработка более «грязной» нефти. Неизбежно повышение стоимости традиционных нефтяных топлив, особенно дизельных, отвечающих требованиям ЕВРО – 5, с содержанием серы менее 10 ч. н. м. (по оценке Международного энергетического агентства (МЭА) к 2030 г. мировые потребности в энергоносителях вырастут на 50%). На общегосударственном уровне Европа к 2020 году на 23% заменит традиционные топлива альтернативными. Шри – Ланка – страна с ограниченными запасами традиционных энергоресурсов для производства моторных топлив. Страна существенно зависит от экспорта сырой нефти, газа, бензинов и дизельных топлив. В то же время сельскохозяйственная направленность страны определяет наличие большого объёма биоресурсов, применимых для производства био - спиртов, био - газов, вообще, био – топлив, которые относятся к возобновляемым источникам энергии. Применение био - топлив в стране актуально как с точки зрения энергообеспечения, так и с точки зрения снижения экологической нагрузки на природу, атмосферу, особенно в крупных населённых пунктах. При этом следует учитывать особенности климата страны (жаркий тропический), который усложняет экологическую обстановку. Шри - Ланка практически не имеет собственного достаточно объёмного производства двигателей внутреннего сгорания автотранспортного назначения. В связи с этим, применение различных методов и средств решения энергетических и экологических проблем должно идти по пути модернизации существующих ДВС, по пути приспособления существующих рабочих процессов и конструкций ДВС к новым техническим решениям. Одним их альтернативных топлив, обеспечивающих по меньшей мере частичное решение задач энергоснабжения и повышения экологического качества окружающей среды, для Шри – Ланка является спиртовое топливо биологического происхождения, причём, именно био – этанол (нежелательность применения метанола связана как с его ядовитостью, так и с его коррозионной агрессивностью).

Одним из эффективных методов организации рабочих процессов спирто – дизелей является создание спирто – топливной эмульсии во время работы дизеля вводом этанола в дизельное топливо (ДТ) в линии высокого давления (ЛВД) вблизи форсунки с использованием штатной топливной системы, оснащённой клапанами регулирования начального давления (РНД). Такие системы называют также системами с импульсной подачей добавок к топливу. Недостатком таких систем является зависимость количества подаваемой добавки (спирта) от характеристики штатной топливной аппаратуры и, как правило, возрастание количества добавки со снижением нагрузки и частоты вращения вала дизеля. Этим нарушается рациональность, возможная оптимальность количества вводимого ЭТ.

Цель диссертационной работы. В работе поставлена цель повышения эффективности, экономичности и экологических качеств автотракторного дизеля использованием этанола в качестве добавки к дизельному топливу.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи.

Подбор элементов топливной аппаратуры для организации процесса спирто – дизеля. Расчётно – экспериментальный анализ физико – химических и моторных свойств смесевых спирто – дизельных топлив (этанол + дизельное топливо). Анализ возможностей снижения токсичности выбросов, а также составляющей парниковых газов СО2. Организация работы спирто – дизеля на режимах малых нагрузок и холостых ходов. Определение возможных количественных показателей экономии дизельного топлива замещением его этанолом. Определение возможных показателей совершенствования динамических качеств дизеля при замещении части дизельного топлива этанолом.

Методы исследования. В работе применены экспериментальные и расчётно – экспериментальные методы исследования, в том числе математическое моделирование неустановившихся режимов разгонов дизеля и его модификации – спирто - дизеля в широком диапазоне частот вращения. А также моделирование режимов спирто – дизеля при его регулировании методом отключения – включения цилиндров или циклов.

Достоверность результатов экспериментальных исследований и результатов математического моделирования определяется достаточной точностью применявшегося оборудования и стендов, сходимостью результатов с результатами опубликованных экспериментальных исследований, обработанных с применением методов математической статистики.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней подтверждена возможность совершенствования энергетических и экологических качеств дизеля типа Д-240 добавкой этанола к основному топливу. Разработаны рекомендации по модернизации топливной аппаратуры дизеля типа Д-240, с целью применения этанола, как добавки к основному топливу.

Проведены уточнения ряда физико – химических, моторных, теплофизических свойств смесевых спирто – дизельных топлив с различным содержанием этанола в них и горючих смесей на их основе. Проведена оценка возможностей снижения выбросов СО2 при работе на смесевых топливах с разным содержанием этанола. Разработан метод регулирования работы спирто – дизеля в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов путём «безреечного» регулирования (отключением – включением части цилиндров или циклов). Получены количественные показатели экономии дизельного топлива частичным замещением его этанолом. Показана эффективность метода ввода этанола в дизельное топливо для форсирования дизеля при реализации неустановившихся режимов разгонов и получены количественные показатели.

Практическая ценность работы, особенно для Шри – Ланка, заключается в возможности модернизационным путём внедрить в дизели автотракторного назначения, оснащённые топливными системами разделённого типа, использование этанола для экономии традиционных топлив, повышения экологических качеств дизелей и улучшения их динамических качеств. Практическая ценность работы заключается также в том, что реализация разработанных мероприятий по управлению дизелем безреечным методом позволяет повысить долю замещения дизельного топлива спиртовым – этанолом. Практической ценностью обладают также предложенные уточняющие аппроксимирующие зависимости определения цетановых чисел смесевых спирто – дизельных топлив (ЭТ + ДТ).

Реализация результатов работы. Материалы исследования применяются при выполнении госбюджетной научно – исследовательской работы кафедры теплотехники и тепловых двигателей Российского университета дружбы народов, в учебном процессе, в том числе при подготовке магистерских и кандидатских диссертаций.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на ежегодных научно – технических конференциях инженерного факультета РУДН в 2008, в 2009 и 2010 годах, а также на 84-м и 85-м Всероссийских научно – технических семинарах по автоматическому управлению и регулированию теплоэнергетических установок им. проф. В. И. Крутова в МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2009 и 2010 г. г.

Публикации. Основные результаты работы изложены в четырёх статьях, ещё две статьи находятся в печати (все - в изданиях по списку ВАК РФ).

Структура и объём работы. Работа содержит введение, четыре главы основного содержания, выводы по главам и основные выводы и рекомендации по работе, приложение, список источников информации из наименований. Работа изложена на 148 страницах, из которых 110 страниц основного машинописного текста, 76 иллюстраций, 8 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы повышения эффективности, экономичности, экологических качеств дизелей автотракторного назначения, проблемы экономии топлив нефтяного происхождения замещением их топливами на базе возобновляемых ресурсов – биомассы. В качестве такого топлива принят этанол (ЭТ) биологического происхождения.

В первой главе проведён обзор опубликованных работ, направленных на решение указанной проблемы. Вопросам использования спиртовых топлив, в том числе ЭТ, в ДВС посвящены работы таких российских и иностранных учёных, как Л. Н. Голубков, Л. В. Грехов, А. Ю. Дунин, В. И.

Ерохов, В. А. Звонов, Р. З. Кавтарадзе, Г. М. Камфер, В. А. Лиханов, В. Н.

Луканин, Р. В. Малов, В. И. Мальчук, В. А. Марков, Н. Н. Патрахальцев, Е. Г. Пономарёв, В. М. Попов, А. С. Хачиян, М. Г. Шатров, В. П. Шкаликова, Ю. Ж. Сааде, Л. В. Санчес, В. Льотко, H. G. Adelman, Y. Chen, D.

Gussert, T. Fleisch, W. A. Goetz, M. Mori и другие.

Проведённый анализ публикаций позволил сделать следующие выводы.

1. Проблема дальнейшего повышения экономических, экологических и эффективных показателей работы дизелей является актуальной во всём мире. Решение этой проблемы всё в большей степени достигается использованием различных альтернативных топлив. Во многих странах, включая Шри -_Ланка, одним из наиболее приемлемых и перспективных альтернативных топлив может быть этанол биологического происхождения (биоэтанол).

2. Наименее затяжным по времени внедрения и наиболее простым по техническому исполнению является метод использования спирто – топливных эмульсий, причём, создаваемых в процессе работы двигателя. Для его реализации целесообразно применение системы топливоподачи разделённого типа, модернизированной клапанами регулирования начального давления (РНД).

3. Выбор составов смесевых топлив для реализации широкого диапазона скоростных и нагрузочных режимов зависит от их физико – химических, теплофизических и моторных свойств, которые недостаточно исследованы.

4. Возможный и желательный состав смесевого топлива должен быть связан с режимами работы двигателя, так как работа спирто – дизеля на режимах малых нагрузок, холостых ходов, а особенно режимах пусков существенно затрудняется. Поэтому на таких режимах необходимо либо управлять составом смесевого топлива, либо применять «безреечное»

управление дизелем (например, отключением – включением цилиндров или циклов, иногда говорят о регулировании двигателя изменением рабочего объёма). По результатам проведённого анализа сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе рассмотрены основные теоретические положения разработки метода и средств повышения эффективности и экологичности дизеля использованием этанола, как добавки к основному топливу. Показано, что целью разработки является прежде всего не замещение дизельного топлива этанолом, а регулирование рабочего процесса двигателя, т. е.

реализация метода «физико – химического» регулирования дизеля – регулирования его путём оперативного, во время работы двигателя введения спирта в основное топливо и тем самым изменения физико – химических, теплофизических, моторных свойств топлива, в этом случае уже смесевого, композитного.

Проведено обоснование выбора этанола, как альтернативного топлива – добавки к основному дизельному. Показано, с учётом региональных условий среди первичных энергетических ресурсов (ПЭР) для Шри – Ланка предпочтительны возобновляемые ПЭР, из которых предпочтительно использование энергии биомассы. Ранее было показано существенное преимущество ЭТ как топлива – снижение выбросов сажи. Объяснением этому являются прежде всего пониженные доли углерода в составе топлива, повышенное содержание водорода и кислорода, отсутствие серы.

Исследованы основные физико-химические и моторные свойства этанола, его смесей с дизельным топливом и горючих смесей на их основе.

Несмотря на низкую теплоту сгорания ЭТ, теплота сгорания горючей смеси смесевого топлива с воздухом практически одинакова с аналогичными параметрами дизеля при том же составе смеси, благодаря низкому стехиометрическому числу. Повышение химического коэффициента молекулярного изменения свежей смеси µо с повышением содержания ЭТ в смесевом топливе при = 1,4 изменяется от 1,045 для ДТ до 1,116 для ЭТ, что оказывает положительное влияние на протекание индикаторной диаграммы. При этом возможность обогащения смеси при работе на смесевом топливе ещё существеннее повышает этот эффект. Повышение доли ЭТ в топливе при любых составах горючей смеси практически не влияет на объёмную теплоту её сгорания. При этом возможность обогащения смеси при работе на смесевом топливе (благодаря пониженной дымности ОГ) повышает её теплосодержание. Повышенная теплота парообразования ЭТ, низкое качество самовоспламенения, низкое цетановое число (ЦЧ) приводят к снижению температуры конца сжатия, к росту периода задержки воспламенения.

Ввиду низких ЦЧ ЭТ, в начальных периодах его практического применения в качестве топлива целесообразно применять его в виде эмульсии с дизельным топливом. При этом содержание ЭТ в таком смесевом топливе не должно снижать его ЦЧ ниже 32 -35 единиц по условиям пуска и работы на малых нагрузках. В работе проведено определение цетановых чисел смесевых спирто – дизельных топлив с разным содержанием этанола. На основании опубликованных и собственных экспериментальных данных предложены следующие соотношения для определения ЦЧсм смесевых топлив:

ЦЧсм.=(-3,6507·ln(10·gэт.+1)+12,586)·ln(ЦЧд.) (1) ЦЧсм.=(0,1203·(10·gэт.+1) -2,1963·(10·gэт.+1)+14,356)·ln(ЦЧд.) (2) где gэт – доля ЭТ в смесевом топливе с дизельным (д). Показано, что при ЦЧдт = 47 ед. добавка например, 30% ЭТ снижает ЦЧсм до 30 ед.

Из расчётов А. С. Хачияна и др. и данной работы следует, что при выработке одинаковой энергии бензиновый двигатель выбрасывает в атмосферу двуокиси углерода на 28% больше, чем дизель, и на 47,5% больше, чем газовый двигатель. Спирто – дизель выбрасывает в атмосферу двуокиси углерода на 2% меньше, чем дизель. Но сумма трёхатомных газов возрастает за счёт повышенного выброса Н2О.

Анализ теплоты, затрачиваемой на парообразование, при работе на спирто – дизельном топливе показал, что снижение Тс при разных температурах окружающей среды примерно в 7 раз превышает снижение Тс при работе на ДТ. Эффект «внутреннего охлаждения» смягчает проблему термонапряжённости при форсировании спирто – дизеля по составу смеси.

Для анализа динамических характеристик спирто – дизеля выбрана математическая модель разгона дизеля в штатном и опытном исполнении, основанная на численном решении уравнения динамического равновесия системы двигатель – потребитель:

где Iуст — момент инерции подвижных деталей установки, т.е. двигателя и всех механизмов, имеющих механическую связь с ним, приведенный к оси коленчатого вала; d — угловое ускорение вращения коленчатого вала:

d = ( ) dn ; Мe - вращающий (крутящий) момент двигателя, явdt 30 dt ляющийся функцией частоты вращения при установленном положения рейки; Мc — момент сопротивления (нагрузки), являющийся функцией частоты вращения при постоянстве положения регулирующего органа потребителя (характеристика сопротивления). При этом момент двигателя относится либо к дизелю в исходном состоянии, либо к спирто – дизелю и представляется в виде зависимости, аппроксимирующей протекание соответствующей скоростной характеристики:

В общем виде зависимость текущей частоты вращения от времени при моделируемом режиме представляется уравнением:

Для реализации модели необходимы скоростные характеристики двигателей и потребителя, получение которых выполнено экспериментально и изложено в главах 3 и 4. На рис. 1 показана принципиальная схема системы топливоподачи для ввода в дизельное топливо этанола.

Рис. 1. Схема системы подачи в дизель основного ДТ с добавкой спиртового–(ЭТ): 1-ТНВД, 2-линия низкого давления (ЛНД), 3-нагнетательный клапан ТНВД, 4-линия (ЛВД), 5-линия отсечки подачи топлива, 6-ёмкость с ДТ, 7мембранный подкачивающий насос с приводом от волн отсечки подачи, 8-аккумулятор спиртового топлива, 9-регулятор расхода и/или давления спирта, 10-клапан регулирования начального давления (РНД) - клапан импульсной подачи ЭТ, 11-форсунка закрытого типа, 12-дизель, 13-невозвратные (обратные) клапаны, 14мкость со спиртом (ЭТ) Принцип работы клапана 10 РНД заключается в использовании волновых процессов в ЛВД 4, формируемых при отсечке подачи топлива насосом 1 и посадке нагнетательного клапана 3 в седло. ЭТ из ёмкости 14 через аккумулятор 8 и регулятор расхода 9 вводится в ЛВД 4 вблизи форсунки 11, благодаря возникающему на клапане 10 перепаду давления. Величина перепада может быть повышена применением подкачивающего насоса 7. Таким образом, в простейшем случае расход ЭТ, вводимого в ДТ, зависит от остаточного давления в ЛВД штатной системы и интенсивности разгрузки ЛВД разгрузочным пояском нагнетательного клапана ТНВД.

Организация «безреечного» регулирования работы спирто – дизеля основана на применении метода отключения – включения части цилиндров или отдельных циклов (рис. 2). При этом оставшиеся в работе цилиндры по – существу становятся однорежимными, работающими только на полной нагрузке, с полной подачей топлива. Тем самым сохраняются высокие температуры протекания процессов в работающих цилиндрах и следовательно возможности повышенного расхода ЭТ, повышенной доли замещения ДТ этанолом.

клапан РНД; 8 – электромагнитная катушка; 9 – магнитная пластина со штоком удержания клапана РНД в отрытом состоянии, 10 – форсунка, 11 дизель В третьей главе рассмотрены стенды для испытаний дизеля и его топливной аппаратуры. Разработаны методики исследования влияния добавки ЭТ к ДТ на показатели работы спирто - дизеля с внутренним смесеобразованием. Проведены расчёты погрешностей определения основных параметров и показателей работы дизеля. Показана необходимость проведения многократных испытаний дизеля на одном и том же режиме. Выполняя 6 повторных реализаций режимов разгонов можно с достоверностью в 95% утверждать, что результат изменения частоты вращения вала не выйдет за пределы доверительного интервала, равного 7 %.

Основой методики исследований является сравнительный анализ параметров и показателей работы дизеля типа Д-240 (4Ч11/12,5) и спирто – дизеля на его базе. В проводившихся исследованиях использовались, прежде всего, единичные измерения, когда точность результата определяется не случайными ошибками эксперимента, а погрешностями измерительной и регистрирующей аппаратуры. Часть определяемых показателей зависит от ряда измеряемых параметров, то есть Y=f(X). Тогда ошибка измерения Y зависит от ошибок измерений Xi.

Так как эти параметры находятся в зависимости от замеряемых величин в соотношении:

то суммарные относительные погрешности измерения можно определить по выражению:

Погрешность измерения Ne не превышает 0,9%, дымности – 5,5%, расхода через РНД – 1,5%, а времени приёмистости – 2,2 %.

Определение погрешности среднего результата повторных прямых измерений времени приёмистости дизеля с потребителем выполнялось по следующей методике. Неидентичность многократных повторных реализаций на испытательном стенде разгонов двигателя связана с неидентичностями исходного теплового состояния двигателя, исходной частоты вращения и номера цилиндра, с которого начинается разгон, положений регулирующих органов двигателя и потребителя и т. д. Несмотря на кажущуюся идентичность этих условий, наличие случайных процессов в системах двигателя и потребителя во время эксперимента приводит к значительному разбросу получаемых характеристик, что затрудняет выявление закономерностей, свойственных данному процессу. Часто разброс параметров и показателей разгона в многократных испытаниях превышает величины измеряемых параметров. Существо методики заключается в следующем. Необходимо определить статистические показатели, например, функции n = f(t). В качестве оценки истинного значения измеряемой величины n примем её среднее значение “а”. Надёжность этого равенства определяется величиной доверительного интервала, т. е. неравенством где (точность) имеет заданную вероятность Оценку точности проводят по эмпирическому стандарту Тогда доверительная оценка принимает вид где k = N-1 – число степеней свободы.

В работе изложена и применена методика определения динамических внешних скоростных характеристик (ДВСХ) дизеля и спирто – дизеля.

В четвёртой главе приведены результаты расчётных и экспериментальных исследований. Выполнены исследования и предложены возможные регулировки топливной аппаратуры для ввода ЭТ в линии высокого давления перед штатной форсункой. Показано, что одним из путей повышения расхода ЭТ через клапан РНД может быть увеличение разгружающей способности нагнетательного клапана штатного ТНВД (в экспериментах с 52 мм3 до 82 мм3). Полученная таким путём повышенная разгрузочная способность нагнетательного клапана приводит (при hp = 100%) к снижению производительности системы в 1,33 – 1, 52 раза соответственно при номинальной и минимальной частотах вращения вала. Применение клапана РНД и подача через него ДТ или ЭТ лишь частично восстанавливают исходную производительность системы. Причём, количество вводимого ЭТ оказывается меньше, чем количество вводимого ДТ, несмотря на более высокую вязкости ДТ. Это очевидно, связано с повышенной испаряемостью ЭТ. Пары спирта занимают повышенный объём и расход жидкого СП через клапан РНД снижается. Величина вводимой добавки ЭТ превышает прирост цикловой подачи при использовании РНД, что очевидно, связано с увеличением количества топлива, сбрасываемого в линию отсечки при пониженном остаточном давлении. А сбрасывается только чистое ДТ. Введением дополнительной подкачки ЭТ на входе в клапан РНД увеличивает долю спирта в смесевом топливе до 50 – 60 % соответственно при номинальной и минимальной частотах вращения и полных нагрузках. Содержание ЭТ в смесевом топливе на номинальном режиме может быть приемлемо для нормальных условий окружающей среды. Однако, на малых частотах вращения содержание ЭТ явно чрезмерно. Его необходимо уменьшить, например, отключением подкачки ЭТ. Работой на малых нагрузках и холостых ходах показано, что содержание ЭТ в смесевом топливе при низких частотах превышает 60 % даже при отключённой подкачке ЭТ, что никак не приемлемо для нормальной работы дизеля. Отсюда и возникает решение о регулировании нагрузки отключением – включением цилиндров или циклов (с помощью системы СОЦЦ). В дальнейшем исследовании ЭТ подавался в ДТ вблизи форсунки через клапан РНД без изменения исходной регулировки топливной аппаратуры и без изменения её конструкциии.

Оценка выбросов парниковые газов при применении смесевого топлива (ЭТ+ДТ), выполнена при тепловых расчётах циклов спирто – дизеля с составом смеси = 3,0 в первом приближении при условии неизменности характеристик теплоиспользования дизеля и спирто – дизеля (т. е. такой цикл представляет собой как бы средневзвешенный цикл работы в эксплуатации при широком изменении нагрузок). Показано, что доля СО2 при работе спирто - дизеля составляет примерно 6,5 %, т. е. несколько ниже, чем у дизеля с тем же. Доля трёхатомных газов растёт за счёт повышенного содержания паров воды в ОГ. Показано, что с ростом массового расхода смесевого топлива из – за увеличения содержания спирта в нём происходит уменьшения массового выброса выпускных газов (до 1,5%).

Более реальное влияние изменения физико – химических и моторных свойств топлива на рабочий процесс спирто - дизеля продемонстрировано, в частности, на изменении характеристик теплоиспользования, скорости теплоиспользования и т. д. Условием сравнения являлось равенство объмных цикловых подач ДТ и смесевого (по 13 мл., как это принято стандартом на определение ЦЧ на установке ИДТ-69). Показано, что присадка к топливу свыше 20% ЭТ увеличивает задержку воспламенения на 2 - 3° поворота коленчатого вала (п. к. в.). Добавка 40% ЭТ приводит к росту максимальной жесткости, которая в полтора раза превышает жесткость работы на ДТ. Добавка этанола интенсифицирует первую фазу тепловыделения. Момент достижения max при работе на топливе со спиртом может смещаться дальше за ВМТ на 10-15° п. к. в. На характеристиках видно влияние высокой теплоты испарения спирта при значительном увеличении его количества в подаче. Добавка к дизельному топливу 10, 30, 50% этанола снижает ЦЧ с 47 до 44, 38, 34 ед. соответственно. В то же время, добавка 5% этанола повышает ЦЧ до 49 ед. В последнем очевидно проявляется повышение качества распыливания топлива, т.е. более существенное уменьшение физической составляющей периода задержки воспламенения, чем увеличение химической. Существенное снижение дымности ОГ спирто – дизеля позволяет форсировать его по моменту (рис. 4), т. е. увеличивать подачу смесевого топлива без превышения допустимого для дизеля предела дымления.

Рис. 4. Внешние скоростные характеристики дизеля типа Д-240 (д) и его «спирто - дизельной» модификации (спд).

Увеличение расхода смесевого топлива за счёт добавки ЭТ к основному топливу приводит к уменьшению коэффициента избытка воздуха особенно существенно на низких частотах вращения, где расход ЭТ чрезвычайно велик. Если у дизеля со снижением частоты меняется от 1,5 до 1,28, то у спирто - дизеля – от 1,45 до 1,0. Показано (рис. 5), что экономичность спирто – дизеля ухудшается на режимах пониженных частот вращения (при условии неизменности регулировок).

Рис. 5 Расходы часовые (Gт.) и удельные (ge.) топлива дизельного (д) и смесевого – спирто - дизельного (спд), приведённого по теплоте сгорания к ДТ, а также относительные доли добавок спирта (Хсп.), поступающих к дизельному топливу через клапан РНД, и те же доли спирта, но приведённые к теплоте сгорания дизельного топлива (Хэт.привед.к дт.).

Возможность такого форсирования влияет как на степень коррекции (относительные значения Ме. /Ме.ном.), так и на удельные моменты (Ме./(i·Vh) Н·м/л). Указанные удельные моменты позволяют сравнивать возможности разных методов по корректированию ВСХ, причём, разных дизелей.

Возможность форсирования двигателя по моменту методом ФХР приводит к улучшению динамических характеристик двигателя и установки с ним. Так время приёмистости спирто – дизеля в составе установок с моментам инерции от 3,3 до 6,3 Нмс2 при разгонах от 800 до 2200 мин- уменьшается на 9% по сравнению с аналогичными показателями дизеля.

Анализ суммарного расхода топлива дизелем и спирто – дизелем в режимах одинаковых разгонов с установками с разными моментами инерции и при условии приведения расхода ЭТ к ДТ по его теплоте сгорания показал, что из – за форсирования по мощности и изменения экономичности спирто – дизель тратит на 11 – 14% топлива больше, а выбросы сажи этим двигателем снижаются на 40 – 45%.

Итак, как отмечено выше, метод отключения – включения цилиндров целесообразно применять, если расход ЭТ через клапан РНД на режимах малых нагрузок оказывается чрезмерно большим и если применение сложных модернизаций топливной аппаратуры нежелательно. В этих условиях исследованы возможности поддержания установившегося режима работы двигателя методом включения – выключения части цилиндров, например, рис. 6.

n, 1/мин режима при чередовании работы на 2 цилиндрах и выключении обоих даёт нестабильность частоты вращения дизеля 16 мин-1, а спирто – дизеля – 20.

Это связано с уменьшением времени цикла спирто – дизеля при его разгонах, благодаря повышенной форсировке. При этом, часовые выбросы сажи дизелем составляют 125 г/час, а спирто – дизеля – 54, т. е. снижаются более, чем в два раза.

Выбросы сажи дизелем и спирто – дизелем при работе на режиме n=2000 1/мин при регулировании установки с моментом инерции I=6, Нмс2 методом отключения – включения двух цилиндров составляют соответственно 227 и 140 г/час (под нагрузкой) и 81 и 44 г/час (без нагрузки).

Совершенствование динамических режимов достигается как благодаря общей форсировке двигателя по моменту, так и, очевидно, благодаря устранению переходных процессов в системе топливоподачи, возможно, меньшему отрицательному влиянию переходных процессов в системе воздухоснабжения спирто – дизеля. Кроме того, регулирование спирто – дизеля методом отключения – включения цилиндров или циклов устраняет переходные процессы смещения рейки ТНВД в системе автоматического регулирования, т. е. снижает инерционность системы регулирования.

Экономия дизельного топлива при работе спирто – дизеля достигается прежде всего благодаря замещению его части спиртом. Так на режиме n = 1000 мин-1 со средней нагрузкой 76,5 Нм и разгонах – выбегах на двух – одном цилиндрах экономия ДТ составляет порядка 0,75 кг/час или около 20% (при полном расходе 3,6 кг/час).

Общие выводы. В целом по работе могут быть сделаны следующие выводы.

Первым этапом освоения спирта, как альтернативного топлива для дизелей, может стать применение метода «физико – химического» регулирования (ФХР). Целью его является не столько экономия традиционных нефтяных топлив замещением их альтернативными, сколько воздействие на протекание рабочих процессов для повышения экономических, экологических, мощностных и прочих показателей дизелей. Проведено исследование и показана возможность повышения энергетических и экологических качеств дизеля типа Д-240 добавкой к основному топливу этанола в количестве порядка 30 – 40% массовых. Подтверждена возможность повышения мощностных показателей двигателя на величину порядка 10% без превышения допустимого уровня дымности (предела дымления). Достигнута возможность экономии до 10 - 20% нефтяного дизельного топлива замещением его спиртовым (этанолом) при одновременном снижении выбросов сажи в 1,5 – 2,5 раза. Доказана возможность повышения динамических качеств двигателя типа Д-240 и установки с ним путём применения системы добавки этанола к основному топливу одновременно с регулированием двигателя методом включения – отключения части цилиндров или циклов.

2. Разработаны рекомендации по модернизации топливной аппаратуры дизеля типа Д-240, с целью применения этанола, как добавки к основному топливу. Они заключаются в увеличении разгружающей способности нагнетательных клапанов топливного насоса высокого давления (ТНВД) с до 82 мм3, установке клапана регулирования начального давления (РНД) вблизи штатной форсунки и оснащении клапана электромагнитной катушкой для управления отключением – включением цилиндров или циклов.

3. Проведены уточнения ряда физико – химических, моторных, теплофизических свойств смесевых топлив с различным содержанием этанола в них. Показана высокая погрешность определения цетановых чисел (ЦЧ) смесевых спирто – дизельных топлив использованием закона аддитивности. На основании опубликованной информации подобраны уравнения для определения ЦЧ смесевых топлив в зависимости от содержания этанола в смесевом топливе и от ЦЧ базового ДТ. Показано, что, например, для смесевого топлива с содержанием ЭТ 30 – 40 % предложенные уравнения дают погрешность не более +2 – (-5) %, в то время, как уравнение аддитивности – до -25 %.

4. Проведена оценка возможностей снижения выбросов СО2 при работе на смесевых топливах с разным содержанием этанола. Показано, что при допущении идентичности законов тепловыделения при сгорании дизельного и спирто – дизельного (60 % - ЭТ) топлив, одинаковой энергоёмкости подач и при коэффициенте избытка воздуха, равном, в среднем для условий эксплуатации, 3,0 для дизеля и спирто – дизеля, снижение массового выброса СО2 составляет около 3 %. При этом выброс трёхатомных газов возрастает на 4,9 %. Массовый расход смесевого топлива возрастает до 5. Разработан метод регулирования работы спирто – дизеля в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов путём «безреечного» регулирования (отключением – включением части цилиндров или циклов). Показано, что при условии допустимости снижения ЦЧ смесевого топлива не ниже 35, содержание ЭТ в смесевом топливе не должно превышать 25 – %. Поскольку при снижении частоты вращения и нагрузки доля ЭТ в смесевом топливе возрастает до 80 % при нагрузке 25 %, то рекомендовано проводить отключение цилиндров или циклов при нагрузке не ниже 25 – 30 %.

6. Получены количественные показатели экономии дизельного топлива замещением его этанолом. Показано, что экономия ДТ замещением его этанолом может достигать 10 - 15 % без применения безреечного регулирования и 25 – 30 % - при использовании метода отключения цилиндров или циклов (безреечное регулирование мощности двигателя).

7. Показана эффективность и получены количественные показатели метода ввода этанола в дизельное топливо для форсирования дизеля при реализации неустановившихся режимов разгонов. Так, время приёмистости при разгонах двигателей от nmin до nnom без потребителя или с потребителем у спирто – дизеля сокращается до 9 %, благодаря возможности форсирования двигателя по составу смеси без превышения установленного предела дымления. Часовой выброс сажи в исследованных режимах разгонов снижается до 40 – 45%. При этом часовой расход топлива возрастает до 10 – 15%.

Основные результаты работы изложены в четырёх статьях, ещё две статьи находятся в печати (все - в изданиях по списку ВАК РФ), а именно:

1. Патрахальцев, Н. Н. Применение сжиженного нефтяного газа для расширения ресурсов дизельного топлива / Н. Н. Патрахальцев, С.

А. Казаков, И. Д. Фернандо Кумара Патабандиге // АвтоГазоЗаправочный Комплекс + Альтернативное топливо. – 2009, № 3 (45). - С. 2. Патрахальцев, Н. Н. Регулирование рабочего процесса дизеля изменением физико - химических свойств топлива / Н. Н. Патрахальцев, С. А. Казаков, П. И. Д. Фернандо Кумара (Тезисы доклада на 84-м Всероссийском научно – техническом семинаре по автоматическому управлению и регулированию теплоэнергетических установок им. проф. В. И. Крутова. МГТУ им. Н.Э. Баумана.) // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». – 2009, № 4 (77).

3. Зауави, Джавад. Регулирование рабочего процесса дизеля добавкой этанола к дизельному топливу / Джавад Зауави, М. В. Эммиль, Н. Н.

Патрахальцев, Фернандо Кумара Патабандиге И. Д. // АвтоГазоЗаправочный Комплекс + Альтернативное топливо. – 2010, № 5 (53). – 4. Патрахальцев, Н. Н. Показатели качества протекания неустановившихся режимов разгонов дизеля после пусков. Тезисы доклада на 84-м Всероссийском научно – техническом семинаре по автоматическому управлению и регулированию теплоэнергетических установок им. проф. В. И. Крутова. МГТУ им. Н.Э. Баумана. / Н. Н. Патрахальцев, С. А. Казаков, П. И. Д. Фернандо Кумара. // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». – 2010, № 3 (80). – С.

5. Патрахальцев, Н. Н. Показатели качества протекания неустановившихся режимов разгонов дизеля после пусков / Н. Н. Патрахальцев, С. А. Казаков, Фернандо Кумара П. И. Д. // Автомобильная промышленность. – 2011, - № ….(в печати).

6. Патрахальцев, Н. Н. ЛВЖ как инструмент повышения качества разгонов дизеля после пуска / Н. Н. Патрахальцев, С. А. Казаков, И. Д.

Фернандо Кумара Патабандиге // Автомобильная промышленность.

– 2011. - № ……(в печати).

7. Патрахальцев, Н. Н. Фактические значения цетановых чисел смесей дизельного топлива с альтернативными / Н. Н. Патрахальцев, Л. В.

А. Санчес, К. П. И. Д. Фернандо, С. В. Страшнов // АвтоГазоЗаправочный Комплекс + альтернативное топливо. – 2011. - № 3 (57). – С.

Фернандо Кумара Патабандиге Имал Д. (Шри-Ланка)

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ

И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ КАЧЕСТВ ДИЗЕЛЯ ТИПА Д-

ДОБАВКОЙ ЭТАНОЛА К ОСНОВНОМУ ТОПЛИВУ

В диссертации приведены результаты исследования возможностей повышения мощностных, динамических, экономических и экологических качеств дизеля типа 4Ч11/12,5 при добавке к дизельному топливу этанола во время работы двигателя, путём ввода спирта в линии высокого давления вблизи форсунки через клапан регулирования начального давления, т. е.

путём реализации метода регулирования дизеля изменением физико - химических, теплофизических и моторных свойств топлива. Показана возможность реализации метода при сравнительной простой модернизации штатной топливной системы. В процессе регулирования применён также метод регулирования двигателя отключением – включением цилиндров или циклов.

RAISING OF EFFICIENCY AND EKOLOGICAL QUALITIES

OF DIESEL D-240 TYPE BY ADDITION OF ETHANOL INTO

DIESEL FUEL

There are presented results of experimental and simulating investigations of method of regulation of diesel 4Ч11/12,5 by variation of physical and chemical properties of fuel. There are demonstrated, that efficiency, economical, dynamical, and ecological qualities of diesel can be raised by injection into cylinders some quantity of ethanol as an alternative fuel as mixture with diesel fuel.

These regulations take place during the working of diesel by using of fuel system with regulation of pressure initial of fuel. For raising an efficiency, dynamical qualities of diesel there in addition applied a system for disconnection of cylinders or cycles.