На правах рукописи

ТОРОПОВ АЛЕКСЕЙ ЕВГЕНЬЕВИЧ

УЛУЧШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДИЗЕЛЯ

4Ч 11,0/12,5 ПРИ РАБОТЕ НА МЕТАНОЛО-ТОПЛИВНОЙ ЭМУЛЬСИИ

ПУТЕМ СНИЖЕНИЯ ДЫМНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ

Специальность 05.04.02 - тепловые двигатели

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2010 2

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Вятская государственная сельскохозяйственная академия»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Лиханов Виталий Анатольевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Ложкин Владимир Николаевич доктор технических наук, профессор Куколев Максим Игоревич Ведущее предприятие: ФГОУ ВПО «Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия»

(г. Нижний Новгород)

Защита диссертации состоится 4 июня 2010 г. в 15 30 на заседании диссертационного совета Д 220.060.05 при Санкт-Петербургском государственном аграрном университете по адресу: 196601, Санкт-Петербург-Пушкин, Академический проспект, д. 23, ауд. 2.529, факс 465-05-05, uchsekr@spbgau.ru.

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

Автореферат разослан и помещен на сайте http://www.spbgau.ru «3» мая 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н. профессор Т.Ю. Салова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. На современном этапе развития науки и техники, двигатель внутреннего сгорания (ДВС) остается одним из наиболее крупных потребителей топливно-энергетических ресурсов. Потребляемыми ресурсами, в первую очередь, являются моторные топлива (МТ), получаемые из нефти, а дизельные двигатели остаются наиболее массовыми силовыми установками автомобилей. Запасы нефтяных топлив ограничены, а потребление их растёт от года к году. В связи с этим возникает вопрос использования альтернативных видов топлива. Одним из перспективных альтернативных источников МТ является метиловый спирт или метанол (СН3ОН), получаемый из любого газообразного топлива или пищевых и сельскохозяйственных отходов. Наиболее простым и доступным способом применения метанола в качестве МТ в существующих дизелях является использование его в виде эмульсии. Указанный способ позволяет экономить дизельное топливо (ДТ) и может быть реализован в двигателях, уже находящихся в эксплуатации.

Таким образом, улучшение экологических показателей дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на метаноло-топливной эмульсии (МТЭ) является актуальной научной задачей, имеющей важное народнохозяйственное значение.

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

Целью исследований является улучшение экологических показателей дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на метаноло-топливной эмульсии путем снижения дымности отработавших газов.

Объект исследований. Дизель 4Ч 11,0/12,5 (Д-240) жидкостного охлаждения производства ММЗ (г. Минск), с камерой сгорания типа ЦНИДИ, работающий на альтернативном топливе - МТЭ.

Предмет исследования: процессы образования и выгорания сажи, экологические, мощностные и экономические показатели дизеля 4Ч 11,0/12,5 с камерой сгорания типа ЦНИДИ при работе на МТЭ.

Научную новизну работы представляют:

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

- Зонная модель образования и выгорания сажи в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на МТЭ;

- Химизм процесса образования и выгорания сажи в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12, при работе на МТЭ;

- Математическая модель расчета массовой концентрации сажи в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на МТЭ;

- Результаты теоретических расчетов массовой концентрации сажи в цилиндре и отработавших газах дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на ДТ и МТЭ;

- Рекомендации по улучшению экологических показателей дизеля 4Ч 11,0/12,5 путем снижения дымности отработавших газов при работе на МТЭ.

Практическая ценность работы и реализация результатов исследований.

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

Экономическая эффективность. Экономия денежных средств от перевода дизеля 4Ч 11,0/12,5 работающего на альтернативном моторном топливе - МТЭ, составляет 48142 руб. на 1 мобильное энергетическое средство при средней наработке 500 мото-часов в год.

Апробация работы. Основные результаты и материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались: на I и II Всероссийских научно-практических конференциях «Наука - Технология - Ресурсосбережение», 2007, 2008 гг. (Вятская ГСХА, г. Киров); I, II и III Международных научно-практических конференциях «Наука - Технология - Ресурсосбережение», 2009…2010 гг. (Вятская ГСХА, г. Киров); Международных научнопрактических конференциях «Энергетика предприятий АПК и сельских территорий: состояние, проблемы и пути решения» 2009, 2010 гг. (Санкт-Петербургский государственный аграрный университет, г. Санкт-Петербург); 7, 8 и 9 городских научных конференциях аспирантов и соискателей «Науке нового века - знания молодых», 2007…2009 гг. Вятская ГСХА, г. Киров); I Всероссийской научной конференции аспирантов и соискателей «Науке нового века - знания молодых», 2010 г. (Вятская ГСХА, г. Киров); XV и XVI Туполевских чтениях: Международной молодежной научной конференции 2007, 2008 гг. (Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева, г. Казань); IХ, X, ХI и ХII Международных научно-практических конференциях «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства». (Мосоловские чтения), 2007…2010 гг. («Марийский ГУ», г. Йошкар-Ола); X Международной научной школе «Гидродинамика больших скоростей», Международной научной конференции «Гидродинамика. Механика. Энергетические установки», посвященной 145-летию со дня рождения академика А.Н. Крылова. 2008 г. (Чебоксарский политехнический институт (филиал) МГОУ, г. Чебоксары); 5 Всеросийских научно-технических конференция «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ»

2009 г. (Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева, г. Казань).

Публикации результатов исследований. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 25 печатных работах, включая монографию объемом 8,94 п.л., две статьи в журнале, входящем в перечень ВАК РФ и статьи общим объемом 6,5 п.л., в т.ч. в сборниках трудов Международных и Всероссийских конференций опубликовано 20 статей. Без соавторов опубликовано 9 статей общим объемом 5,63 п.л.

На защиту выносятся следующие основные результаты исследований:

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

- Зонная модель образования и выгорания сажи в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на МТЭ;

- Химизм процесса образования и выгорания сажи в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12, при работе на МТЭ;

- Математическая модель расчета массовой концентрации сажи в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на МТЭ;

- Результаты теоретических расчетов массовой концентрации сажи в цилиндре и отработавших газах дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на ДТ и МТЭ;

- Рекомендации по улучшению экологических показателей дизеля 4Ч 11,0/12,5 путем снижения дымности отработавших газов при работе на МТЭ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на страницах, в том числе 135 стр. текста, содержит 31 рисунок и 6 таблиц. Список литературы изложен на 19 стр. включает 177 наименований, в том числе 33 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первом разделе проведен анализ работ, выполненных по тематике рассматриваемой задачи. Результаты теоретических работ и экспериментальных исследований по использованию в дизелях альтернативных топлив не нефтяного происхождения, таких как метанол, изучению процессов образования и выгорания сажи в цилиндре дизеля и при работе на спиртовых топливах, отражены в работах: В.А. Лиханова, Г.М. Камфера, В.А. Звонова, Д.К. Алексеева, А.Б. Виппера, А.М Данилова, Н.Ф. Разлейцева, Н.Н. Патрахальцева, В.В. Луневой, С.Н. Гущина, А.Н. Чувашева, А.А. Анфилатова, А.А. Глухова, С.А. Батурина, М.О. Лернера, А.Г. Блоха, В.М. Попова, В.П. Попова, В.Ф. Смаля, В.М. Луканина, В.И.

Смайлиса, Э.Н. Тарана, П.А. Теснера, Л.Н. Хитрина и др.

Анализ результатов научных исследований показывает, что отечественными и зарубежными учеными разработаны предпосылки, проведен ряд экспериментальных работ с использованием измерительной техники по изучению экологических показателей дизелей и содержанию сажи в отработавших газах (ОГ). Имеются работы по исследованию возможности использования в дизелях метанола и его эмульсий в качестве МТ.

Вместе с тем необходимо отметить, что исследования по применению метанола и его эмульсии в качестве моторного топлива проводились без изучения комплексного влияния на экологические, эффективные показатели и показатели рабочего процесса в цилиндре дизеля. Практически отсутствуют работы по применению метанола и его эмульсий в быстроходных дизелях малой размерности и исследованию процессов образования и выгорания сажи в цилиндре дизеля.

Все это дает основания предполагать, что улучшение экологических показателей дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на МТЭ в качестве МТ и снижения токсичности и дымности ОГ, улучшение эффективных показателей, экономия нефтяного МТ, является актуальной научной задачей, имеющей важное значение для развития двигателестроения и народного хозяйства. На основании поставленной цели сформулированы задачи исследований:

- провести лабораторно-стендовые и теоретические исследования для изучения влияния применения МТЭ на процессы образования и выгорания сажи, экологические, мощностные и экономические показатели дизеля 4Ч 11,0/12,5;

- разработать зонную модель образования и выгорания сажи в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на МТЭ;

- разработать химизм процесса образования и выгорания сажи в цилиндре и отработавших газах дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на МТЭ;

- разработать математическую модель расчета массовой и относительной концентрации сажи в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на МТЭ;

- произвести расчет показателей массовой концентрации сажи в цилиндре и отработавших газах дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на МТЭ;

- разработать рекомендации по улучшению экологических показателей дизеля 4Ч 11,0/12,5 путем снижения дымности отработавших газов при переводе его на альтернативное топливо - МТЭ.

Во втором разделе предложены теоретические предпосылки по улучшению экологических показателей, в частности снижения дымности ОГ дизелей путем применения МТЭ в качестве МТ.

В камере сгорания (КС) дизеля можно выделить ряд зон, отличающихся по характеру протекания процессов, оказывающих влияние на результирующее сажевыделение двигателя (рис. 1). Поэтому зоны в нашей модели будут иметь условный характер.

Первая зона представляет собой ядро топливного факела, характеризуемое относительно низкой температурой (Т 500 К), практически полным отсутствием окислителя. В данной зоне происходит образование частиц сажи в результате термического пиролиза топлива при отсутствии окислителя.

ядра топливного факела. Данная зона характеризуется недостатком воздуха, высокой плотностью частиц и более высокой температурой фазы эмульсии. Наиболее весомый вклад в образование сажи в этой зоне, вносит низкотемпературный фенильный механизм (НТФМ). Это косвенно подтверждается наличием достаточного количества активных бензильных С4Н3 и фенильных С6Н5 радикалов, достаточной для этого температурой (до Т = 1500 К).

Четвертая зона представляет собой смесь МТЭ с избытком окислителя и высокой температурой. В таких условиях преобладающими являются реакции дегидрогенизации радикалов СН3 до атомарного углерода и реакций образования ацетилена С2Н2, которые являются основными для образования сажи по высокотемпературному ацетиленовому механизму (ВТАМ). В данной зоне продолжается прогрев спиртовой фазы. В этой зоне, испарение эмульсии протекает при температуре, когда объем факела уже прогрелся, и вся дальнейшая теплота идет на компенсацию скрытой теплоты парообразования метанола.

Это должно привести к увеличению периода задержки воспламенения. Далее, когда зона уже окончательно прогрелась, имеет место эффект «микровзрыва». Этот эффект дробит капли эмульсии на еще более мелкие капли и способствует наилучшему перемешиванию паров топлива и воздуха.

Пятая зона характеризуется еще более обедненной топливовоздушной смесью по сравнению с четвертой зоной. В этой зоне создаются наиболее благоприятные условия для окисления сажевых частиц, поскольку температура высокая, а коэффициент избытка воздуха приближается к стехиометрическому.

Шестая зона представляет собой еще более бедную топливовоздушную смесь, в которой преобладают реакции окисления частиц сажи в результате взаимодействия с радикалами, в первую очередь, ОН. Интенсивное перемешивание происходит за счет повторяющегося эффекта «микровзрыва».

Седьмая зона образуется при попадании струи топлива на стенки КС и в зону клапанов образуется относительно холодный переобогащенный пристеночный слой топлива, развивающийся по поверхности поршня и клапана. Скорости испарения и окисления в этой зоне резко снижаются, и происходит термический пиролиз углеводородов топлива.

Наибольший объем КС дизеля 4Ч 11,0/12,5 занимают зоны 4 и 5. В этих зонах происходит окисление сажевых частиц, образовавшихся в зонах 1, 2, и 3, так как зоны 4 и 5 характеризуются значительным избытком окислителя и достаточно высокой температурой.

Химизм процесса заключается в разложении молекулы углеводорода или радикала на поверхности частицы. При быстром охлаждении часть высокомолекулярных углеводородов не успевает пройти все стадии процесса и осаждается на поверхности сажевых частиц, что и определяет канцерогенную опасность сажи.

Второй этап образования сажи из ДТ включает в себя термическое разложение и превращение образовавшихся углеводородов с образованием ацетилена С2Н2. Ацетилен является самым устойчивым углеводородом при высоких температурах, по сравнению с другими соединениями, образовавшимися в и температуре все большее количество углеводородов разложится до ацетилена:

На третьей стадии процесса образования сажи из ДТ происходит термическое взрывное разложение ацетилена, приводящее к образованию радикалов-зародышей С2Н:

Образовавшиеся монорадикалы С2Н и Н, взаимодействуя с молекулами С2Н2, образуют бензильный радикал:

На четвертом этапе образования сажи из ДТ происходит дальнейший рост числа атомов углерода в, т.е. происходит образование физического зародыша сажевой частицы:

Далее рассмотрим предполагаемый механизм образования сажи из метанола.

При более подробном рассмотрении процессов окисления метанола и процесса образования сажи можно предположить, что разложение молекулы спирта на начальном этапе будет проходить по четырем наиболее вероятным направлениям:

Радикалы ОН участвуют в реакциях с продуктами первичного разложения молекул углеводородов, входящих в состав метанола и ДТ, в результате которых образуется молекула воды:

Второй этап процесса включает в себя дальнейшее расщепление продуктов первичного разложения метанола и образования новых активных центров:

На третьем этапе в результате промежуточных реакций происходит термическое разложение углеводородов с образованием ацетилена С2Н2:

На четвертом этапе процесса происходит термическое разложение ацетилена и приводит к образованию радикалов-зародышей, которые в дальнейшем окисляются с образованием атомарного углерода и воды:

В дальнейшем молекулы воды, образовавшиеся в результате химических реакций, и вода, введенная в цилиндр вместе с топливом, участвуют в окислении сажевых частиц в выражении (33).

В общем виде окисление углерода происходит за счет трех реакций:

При достаточно большом времени реагирования сажи с водяным паром и диоксидом углерода реакции газификации приведут к исчезновению углерода. Основная масса сажевых частиц, окисляющихся при взаимодействии с кислородом, по сравнению с дизельным процессом, при работе на МТЭ более существенную роль играет реакция (33), поскольку вода является одним из компонентов эмульсии, и концентрация ее в зоне горения высока.

Таким образом, наличие сажи в продуктах сгорания связано с незавершенностью процессов ее газификации с водяным паром и диоксидом углерода вследствие относительно небольших скоростей их протекания и недостатка времени пребывания.

На основе химизма разработана математическая модель расчета образования и выгорания сажевых частиц в цилиндре дизеля при работе на МТЭ.

Изменение концентрации сажи в общем виде можно записать:

где - учитывает образование сажи в пламени;

- учитывает образование сажи вследствие полимеризации ядра капель;

- учитывает уменьшение концентрации сажи в результате ее выгорания;

- учитывает уменьшение концентрации сажи в результате изменения объема С учетом цепного характера процессов горения и. соответственно, сажеобразования примем скорость сажеобразования в зоне горения пропорциональной скорости побочных ответвлений основных цепей:

где В - коэффициент пропорциональности;

с - автоускорение процесса сажеобразования;

n - концентрация активных центров (радикалов-зародышей).

Значение n можно определить из скорости образования активных центров, разветвления и обрыва цепей:

где 0, fn, gn - соответственно скорости зарождения, разветвления и обрыва цепей.

Автоускорение процесса сажеобразования зависит от относительного превышения нижнего концентрационного предела [A]Н зарождения сажевых частиц:

где kc - константа скорости ответвления цепей;

[A]Н - минимальная концентрация паров топлива, при которой возможно сажеобразование;

[А] - текущая концентрация топлива;

А - константа скорости сгорания.

Выражение для определения образования сажи в пламени запишется:

где В1 - коэффициент пропорциональности;

Gц - цикловая порция топлива;

V - объем реагирующей смеси.

Скорость образования радикалов-зародышей можно записать в следующем виде:

где n0 - скорость самопроизвольного зарождения радикалов-зародышей;

f - коэффициент линейного разветвления;

g - коэффициент линейного обрыва цепи;

g0 - коэффициент захвата радикалов-зародышей частицами сажи;

N s - число частиц сажи в единице объема.

Скорость самопроизвольного зарождения радикалов-зародышей запишется:

где 1013 - частота колебаний атомов в молекуле по разрываемой связи СН3-ОН;

N - число молекул углеводорода в единице объема (штучная концентрация), м-3;

Е - энергия активации самопроизвольного образования радикалов-зародышей;

R - постоянная Больцмана (R = 1,380662·103 Дж/К).

Произведение 1013·N в выражении (41) представим в виде выражения а0·Ст, которое учитывает химические свойства топлива и его массовую концентрацию по времени:

где а0 - константа, учитывающая вид применяемого топлива и его физико-химические Ст - локальная осредненная по времени массовая концентрация топлива.

Скорость образования частиц сажи в цилиндре при работе на МТЭ запишется:

где Nr - концентрация радикалов ОН.

Иначе, скорость образования частиц сажи можно записать в виде уравнения, в котором будет учитываться химический состав топлива:

где а и b - коэффициенты, учитывающие химический состав топлива и скорость образования активных радикалов ОН;

ms - масса сажевой частицы, определяемая по выражению:

где Ds - средний диаметр сажевых частиц;

s - плотность сажи.

Скорость сажеобразования путем полимеризации ядра капель представляем пропорциональной скорости исчезновения жидких капель вследствие их полного испарения:

где В2 - коэффициент пропорциональности;

- доля массы капель, превращающаяся в сажевое ядро;

G - масса распыленного топлива;

S - объемная (массовая) доля капель, диаметр которых меньше dk;

dk - начальный диаметр капель.

С достаточной вероятностью можно предположить, что масса распыленного топлива имеет зависимость:

где 1 - текущее время от начала впрыскивания топлива;

впр - общая продолжительность впрыскивания топлива.

С учетом этого для участка топливоподачи:

На участке окончания впрыскивания топлива:

где k - доля топлива, выгоревшего к концу подачи.

Подставляя значение G в выражение (39), а так же дифференцируя по времени, получим:

Для расчета скорости выгорании сажи рассмотрим детальный физико-химический механизм выгорания сажистых частиц и введем аналитические зависимости для расчета скорости и времени выгорания сажи в цилиндре дизеля.

Стадийность внешнего и внутреннего реагирования характеризуется последовательным протеканием следующих основных реакций:

1 - подвод газообразных компонентов к поверхности частицы;

2 - реакция на поверхности частицы;

3 - десорбция продуктов реакции;

4 - адсорбция газообразных компонентов к поверхности частицы;

5 - отвод продуктов реакции от поверхности частицы.

Скорость выгорания сажи в цилиндре дизеля запишется в виде:

где В3 - коэффициент, учитывающий подвод окислителя к поверхности сажевой частицы;

[C] - текущая концентрация сажи в объеме цилиндра;

р - давление в цилиндре.

Изменение концентрации сажи в цилиндре также зависит от скорости изменения его объема:

Таким образом, изменение концентрации сажевых частиц в зависимости от изменяющегося объема при движении поршня к ВМТ на такте расширения примет вид:

Изменения объема учитывает второе слагаемое, тогда результирующее влияние увеличивающегося объема цилиндра на концентрацию сажевых частиц будет выглядеть следующим образом:

где B4 - коэффициент, учитывающий, что скорость изменения локальной концентрации сажи с увеличением объема цилиндра может быть меньше скорости изменения всего объема цилиндра.  Результаты теоретических расчетов по изменению массовой концентрации Стеор. сажи в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на ДТ и МТЭ в зависимости от угла п.к.в.

представлены на рис. 3.

= 124,0 п.к.в. после ВМТ снижается с Свых дт теор = 0,107 г/м3 при работе на ДТ до Свых мтэ теор = 0,0238 г/м3 при работе на МТЭ. Теоретическое значение массовой концентрации сажи Стеор при работе на МТЭ снижается в 12,6 раз.

Анализ результатов расчетов показывает, что теоретическая массовая концентрация сажи Стеор. на режиме максимального крутящего момента при n = 1700 мин-1 снижается с 1,66 г/м3 при работе на ДТ до 0,291 г/м3 при работе на МТЭ. Значение теоретической массовой концентрации в момент открытия выпускного клапана при = 124,0 п.к.в. после ВМТ снижается с Свых дт теор = 0,124 г/м3 при работе на ДТ до Свых мтэ теор = 0,022 г/м3 при работе на МТЭ. Теоретическое значение массовой концентрации сажи Стеор при работе на МТЭ снижается в 13,2 раза В третьем разделе рассмотрены особенности использования методик, которые применялись в экспериментальных исследованиях, а также созданные экспериментальные установки, используемые приборы и оборудование.

При монтаже оборудования и приборов, стендовых испытаниях дизеля, газовом анализе ОГ учитывались требования ГОСТа 14846-81, ГОСТа 17.2.1.02-76, ГОСТа 17.2.2.01ГОСТа 17.2.2.02-98, ГОСТа 17.2.2.05-97, ГОСТа Р 17.2.2.06-99, ГОСТа Р 17.2.2.07ГОСТа 27577-2000, ГОСТа 18509-88, ГОСТа Р ИСО 3046-1-99, ГОСТа Р ИСО 8178Экспериментальная установка включала в себя электротормозной стенд SAK-N производства Германии с балансирной маятниковой машиной, дизель 4Ч 11,0/12,5, измерительную аппаратуру. Испытания проводились на всех нагрузочных и скоростных режимах работы дизеля с использованием летнего ДТ, моторного масла М-10-Г2 и метанола (ГОСТ 2222-95). Обработка индикаторных диаграмм рабочего процесса дизеля осуществлялась с помощью ПЭВМ по программе ЦНИДИ-ЦНИИМ. Отбор и анализ проб ОГ производился с помощью автоматической системы газового анализа АСГА-Т с соблюдением требований инструкции по эксплуатации. Определение дымности ОГ проводилось с использованием дымомера Bosch EFAW-68A.

В четвертом разделе приведены результаты экспериментальных исследований по улучшению экологических показателей дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на МТЭ путем снижения дымности ОГ. Исследования проводились с целью определения и оптимизации основных параметров работы дизеля при работе на ДТ и МТЭ. Проведенные испытания показали, что дизель устойчиво работает на МТЭ следующего состава: ДТ - 67,5 %, метанол - 25 %, вода - 7 %, присадка сукцинимид С - 5А - 0,5 %.

На рис. 4, а представлено влияние применения МТЭ на токсичность ОГ дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения значения установочного УОВТ.

Рис. 4. - Влияние применения МТЭ в дизеле 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения значения установочного УОВТ при n = 2200 мин -1, ре = 0,64 МПа: а - на токсичность ОГ; б - на показатели процесса сгорания в цилиндре, относительную и массовую концентрацию сажи в ОГ;

Сравнивая оптимальные значения установочных УОВТ следует отметить, что при n = 2200 мин -1, ре = 0,64 МПа дымность ОГ при работе дизеля на МТЭ составляет 0,9 ед.

по шкале Bosch, а при работе на ДТ - 2,6 ед. по шкале Bosch. Таким образом, дымность ОГ при работе на МТЭ на оптимальных УОВТ, n = 2200 мин-1, ре = 0,64 МПа снижается в 2,9 раза.

При работе на МТЭ скорость выгорания сажи в цилиндре значительно выше, соответственно, и ее концентрация в цилиндре к моменту открытия выпускного клапана становится существенно ниже, чем при работе дизеля на ДТ. Кроме того, метанол, который содержится в МТЭ, имеет меньшую склонность к сажеобразованию по сравнению с ДТ.

На рис. 4, б показано влияние применения МТЭ на показатели процесса сгорания в цилиндре, относительную и массовую концентрацию сажи в ОГ дизеля 4Ч 11,0/12,5 при n = 2200 мин и ре = 0,64 МПа в зависимости от изменения значения установочного УОВТ.

Как видно из графиков с увеличением значения установочного УОВТ при работе на ДТ и МТЭ происходит снижение расчетных значений объемного содержания rвых расч и массовой концентрации сажи Свых расч в момент открытия выпускного клапана, увеличение максимального давления сгорания рz max и увеличения максимальной осредненной температуры Тmax в цилиндре двигателя.

Сравнивая оптимальные значения установочных УОВТ, следует отметить, что расчетная относительная концентрация сажи в цилиндре в момент открытия выпускного клапана rвых расч при работе на ДТ составляет 0,046 г/кг, а при работе на МТЭ - 0,010 г/кг, т.е. снижается в 4,6 раза. Расчетная массовая концентрация сажи в цилиндре в момент открытия выпускного клапана Свых расч при работе на ДТ составляет 0,115, а при работе на МТЭ г/м3, т.е. снижается в 4,6 раза. Массовая концентрация сажи в момент открытия выпускного клапана, полученная опытным путем, Свых опыт при работе на ДТ составляет 0,133, а при работе на МТЭ - 0,032 г/м3, т.е. снижается в 4,6 раза.

На рис. 5, а показано влияние применения МТЭ на показатели процесса сгорания, относительную и массовую концентрацию сажи в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 при n = 2200 мин -1 и ре = 0,64 МПа в зависимости от изменения угла п.к.в. при работе на оптимальных значениях УОВТ.

Рис. 5. - Влияние применения МТЭ на показатели процесса сгорания, относительную и массовую концентрацию сажи в цилиндре и в ОГ дизеля 4ЧН 11,0/12,5 при работе на оптимальных значениях установочных УОВТ: а - в зависимости от изменения угла п.к.в. при n = 2200 мин -1 и ре = 0,964 МПа; б - в зависимости от изменения нагрузки при n = 2200 мин -1;

Из графиков видно, что максимальное значение давления сгорания увеличивается с рz = 8,51 МПа при работе на ДТ до рz = 8,54 МПа при работе на МТЭ. Максимальное значение давления сгорания при работе на ДТ достигается при значении угла = 5,5° п.к.в. после ВМТ, а при работе на МТЭ - = 13,0° п.к.в. после ВМТ. Максимальная осредненная температура цикла Тmax при работе на ДТ составляет 2220 К и наблюдается при угле = 7,5° п.к.в. после ВМТ, при работе на МТЭ значение Тmax = 2580 К достигается при угле = 14,0°п.к.в. после ВМТ.

При работе на МТЭ массовая и относительная концентрации достигают своего максимального значения через 10° п.к.в. после ВМТ Сmax мтэ расч имеет значение 0,315 г/м3, а rmax мтэ расч = 0,127 г/кг. Далее процесс выгорания сажевых частиц начинает преобладать над процессом образования сажи, и концентрация сажи снижается до выходных значений при = 124,0 п.к.в. после ВМТ Свых мтэ расч = 0,025 г/м3 и rвых мтэ расч = 0,010 г/кг. Расчетная массовая Смтэ расч и расчетная относительная rмтэ расч концентрация сажи снижаются в 12,6 раз.

На рис. 5, б показано влияние применения МТЭ на показатели процесса сгорания в цилиндре, относительную и массовую концентрацию сажи в ОГ дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения нагрузки.

Из графиков видно, что значение максимальной осредненной температуры Тmax при работе на МТЭ на оптимальных значениях установочных УОВТ увеличивается на 480 К или 18,5 %. При работе на МТЭ максимальное давление процесса увеличивается на 3,16 МПа или на 36,0 %. Расчетная массовая концентрация сажи в цилиндре в момент открытия выпускного клапана Свых мтэ расч возрастает с 0,0018 г/м3 при pе = 0,38 МПа, до 0,064 г/м3 при pе = 0,70 МПа, т.е. в 35,6 раз. Расчетная относительная концентрация сажи в цилиндре в момент открытия выпускного клапана rвых мтэ расч возрастает с 0,004 г/м3 при pе = 0,13 МПа, до 0,06 г/м3 при pе = 0,70 МПа, т.е. в 35,6 раз, а массовая концентрация сажи в момент открытия выпускного клапана, полученная опытным путем Свых мтэ опыт возрастает с 0,002 г/м3 при pе = 0,13 МПа, до 0,213 г/м3 при pе = 0,074 МПа, т.е. увеличивается в 37 раз.

работе на МТЭ. Расчетная массовая концентрация сажи в цилиндре в момент открытия выпускного клапана Свых расч уменьшается в 5,2 раза. При n = 2400 мин-1 расчетная массовая концентрация сажи Свых расч снижается с 0,124 г/м3 при работе на ДТ до 0,036 г/м3 при работе на МТЭ. Расчетная массовая концентрация сажи в цилиндре в момент открытия выпускного клапана Свых расч снижается в 3,4 раза.

В пятой главе рассчитана эффективность использования МТЭ в качестве МТ для дизеля 4Ч 11,0/12,5. Экономия денежных средств от перевода дизеля 4Ч 11,0/12,5 работающего на альтернативном моторном топливе - МТЭ, составляет 48142 руб. на 1 мобильное энергетическое средство при средней наработке 500 мото-часов в год.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основании проведенных лабораторно-стендовых и теоретических исследований влияния применения МТЭ на процессы образования и выгорания сажи, токсические, мощностные и экономические показатели дизеля 4Ч 11,0/12,5 с камерой сгорания типа ЦНИДИ определены значения оптимальных установочных УОВТ: для ДТ - 26° п.к.в., для МТЭ - 23° п.к.в. при сохранении мощностных показателей на уровне серийного дизеля на номинальном режиме работы.

2. На основании теоретических исследований предложены:

- зонная модель образования и выгорания сажи в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на МТЭ;

- химизм процесса образования и выгорания сажи в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12, при работе на МТЭ;

- математическая модель расчета массовой концентрации сажи в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на МТЭ.

3. Теоретическими исследованиями рабочего процесса в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на ДТ и МТЭ определены максимальные значения массовой концентрации сажи Сmax теор в зависимости от угла п.к.в.:

- для n = 2200 мин-1 и оптимальных установочных УОВТ максимальное значение теоретической расчетной массовой концентрации Сmax мтэ теор сажи в цилиндре дизеля при работе на МТЭ составляет 0,299 г/м3 при Сmax мтэ теор = 10,0° п.к.в. после ВМТ, а при работе на ДТ Сmax дт теор = 1,423 г/м3, при Сmax дт теор = 4,0° п.к.в. после ВМТ, т.е. теоретическое значение массовой концентрации сажи снижается в 4,8 раза при работе на МТЭ. Выходное теоретическое расчетное значение Свых мтэ теор в момент открытия выпускного клапана (Cвых = 124,0° п.к.в. после ВМТ) составляет 0,0238 г/м3 при работе на МТЭ, а при работе на ДТ Свых дт теор = 0,107, т.е. снижается в 4,5 раза.

- для n = 1700 мин-1 и оптимальных установочных УОВТ максимальное значение теоретической расчетной массовой концентрации Сmax мтэ теор сажи в цилиндре дизеля при работе на МТЭ составляет 0,291 г/м3 при Сmax мтэ теор = 4,0° п.к.в после ВМТ, а при работе на ДТ Сmax дт теор = 1,66 г/м3, при Сmax дт теор = 2,0° п.к.в после ВМТ, т.е. снижается в 5,7 раза.

Выходное теоретическое расчетное значение Свых мтэ теор в момент открытия выпускного клапана (Cвых = 124,0° п.к.в. после ВМТ) составляет 0,022 г/м3, а при работе на ДТ Свых дт теор = 0,124 г/м3, т.е. происходит снижение в 5,6 раза.

4. Экспериментальными исследованиями и расчетным путем определены значения массовой С и относительной r концентрации сажи в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения угла п.к.в. при работе на ДТ и МТЭ при оптимальных установочных значениях УОВТ.

Установлено, что на номинальном режиме работы при n = 2200 мин-1 максимальное значение Сmax мтэ расч в цилиндре дизеля при работе на МТЭ составляет 0,315 г/м3 при Сmax мтэ расч = 10,0 п.к.в. после ВМТ, а максимальное значение rmax мтэ расч при том же значении угла составляет 0,127 г/кг. При работе на ДТ Сmax дт расч = 1,53 г/м3 при Сmax дт расч = 4,0 п.к.в. после ВМТ, а максимальное значение rmax дт расч при том же значении угла составляет 0,62 г/кг. Максимальное значение массовой Сmax расч и относительной rmax расч концентрации сажи снижаются в 2,5 раза при работе на МТЭ. Выходные расчетные значения С и r в цилиндре дизеля при работе на МТЭ при Cвых = 124,0° п.к.в. после ВМТ составляют Свых мтэ расч = 0,025 г/м3, а при работе на ДТ Свых дт расч = 0,115 г/м3. Выходное rвых мтэ расч = 0,010 г/кг, а при работе на ДТ - 0,046 г/кг. Выходные значения массовой Свых расч и относительной rвых расч концентрации сажи снижаются в 4,6 раза при работе на МТЭ.

При n = 1700 мин-1 максимальное значение Сmax мтэ расч в цилиндре дизеля при работе на МТЭ составляет 0,320 г/м3 при Сmax мтэ расч = 4,0° п.к.в. после ВМТ, а максимальное значение rmax мтэ расч при том же значении угла составляет 0,129 г/кг. При работе на ДТ максимальное значение Сmax дт расч в цилиндре дизеля составляет 1,73 г/м3 при Сmax дт расч = 2,0° п.к.в. после ВМТ, а максимальное значение rmax дт расч при том же значении угла составляет 0,70 г/кг. Максимальное значение массовой Сmax расч и относительной rmax расч концентрации сажи снижаются в 5,4 раза при работе на МТЭ. Выходные расчетные значения С и r в цилиндре дизеля при работе на МТЭ при Cвых = 124,0° п.к.в. после ВМТ составляют Свых мтэ расч = 0,024 г/м, а при работе на ДТ Свых дт расч = 0,129 г/м3. Выходное rвых мтэ расч = 0,009 г/кг, а при работе на ДТ - 0,052 г/кг. Выходные значения массовой Свых расч и относительной rвых расч концентрации сажи снижаются в 5,6 раза при работе на МТЭ.

5. Экспериментальными исследованиями и расчетным путем определены значения массовой С и относительной r концентрации сажи в ОГ дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения нагрузки. Установлено, что при n = 2200 мин-1, оптимальных УУОВТ и ре=0,54 МПа значение Свых расч при работе на ДТ составляют 0,115 г/м3, а при работе на МТЭ - 0,025 г/м3. Выходное значение массовой концентрации сажи Свых расч снижается в 4,6 раза. Значения rвых расч при работе на ДТ составляет 0,46 г/кг, а при работе на МТЭ г/кг. Выходное значение относительной концентрации сажи rвых расч снижается в 4,6 раза. Сопыт снижается с 0,133 г/м3 при работе на ДТ до 0,032 г/м3 при работе на МТЭ, т.е. в 4,2 раза.

6. Экспериментальными исследованиями и расчетным путем определены значения массовой С и относительной r концентрации сажи в ОГ дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения частоты вращения. Установлено, что снижение rвых расч при n = 1200 мин-1 составляет с 0,044 г/кг при работе на ДТ до 0,008 г/кг при работе на МТЭ, т.е. в 5,5 раза. При n = 2400 мин-1 rвых расч снижается с 0,05 г/кг при работе на ДТ до 0,014 г/кг при работе на МТЭ, т.е. в 3,6 раза. Расчетная массовая концентрация сажи Свых расч в ОГ при n = 1200 минснижается с 0,109 г/м3 при работе на ДТ до 0,021 г/м3 при работе на МТЭ, или в 5,2 раза.

При n = 2200 мин-1 Свых расч снижается с 0,124 г/м3 при работе на ДТ до 0,036 г/кг при работе на МТЭ, или в 3,4 раза. Массовая концентрация сажи Сопыт, полученная опытным путем, при n = 1200 мин-1 снижается с 0,112 г/м3 при работе на ДТ до 0,023 г/м3 при работе на МТЭ, т.е. в 4,9 раза. При n = 2200 мин-1 Сопыт снижается с 0,147 г/м3 при работе на ДТ до 0,047 г/м3 при работе на МТЭ, т.е. в 3,1 раза.

7. Экономия денежных средств от перевода дизеля 4Ч 11,0/12,5, работающего на альтернативном моторном топливе - МТЭ, составляет 48142 руб. на 1 мобильное энергетическое средство при средней наработке 500 мото-часов в год.

Положения диссертации опубликованы в 25 работах, основные из которых следующие:

1. Лиханов В.А., Торопов А.Е. Улучшение экологических показателей дизеля 4Ч 11,0/12, при работе на метаноло-топливной эмульсии путем снижения дымности отработавших газов: монография: под общ. ред. В.А. Лиханова. - Киров: Вятская ГСХА, 2010. - 142 с.

2. Эффективные показатели дизеля при работе на метаноло-топливной эмульсии / В.А. Лиханов, С.А. Романов, А.Е. Торопов // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2010. - № 3. С. 9 - 10.

3. Изменение токсических показателей дизеля при работе на метаноло-топливной эмульсии / В.А. Лиханов, А.Е. Торопов, С.А. Романов // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2010. С. 7 - 8.

4. Торопов А.Е. Методика проведения стендовых испытаний дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на метаноло-топливной эмульсии для снижения дымности ОГ // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей внутреннего сгорания: материалы I Всеросийской науч.-практ. конф.

«Наука - Технология - Ресурсосбережение». - Киров: Вятская ГСХА, 2007. - Вып. 7. - С. 166 - 169.

5. Романов С.А., Торопов А.Е., Гребенев А.С. Стабильность метаноло-топливных эмульсий // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей внутреннего сгорания: материалы II Всероссийской научно-практической конференции «Наука - Технология - Ресурсосбережение»: сб.

науч. тр. - СПб. - Киров: Российская Академия транспорта - Вятская ГСХА, 2008. - Вып. 5. - С. - 160.

6. Торопов А.Е. Методика и результаты исследований метаноло-топливной эмульсии с присадками сукцинимид С-5А и миксент-2000 // X Международная научная школа «Гидродинамика больших скоростей» и Международная научная конференция «Гидродинамика. Механика. Энергетические установки»: сб. научн тр. - Чебоксары: ЧПИ МГОУ, 2008. - С. 727 - 730.

7. Торопов А.Е., Гребенев А.С., Романов С.Особенности применения метаноло-топливной эмульсии в качестве моторного топлива для дизеля 4Ч 11,0/12,5 // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей внутреннего сгорания: материалы III Всероссийской науч.-практ. конф.

«Наука - Технология - Ресурсосбережение»: сб. науч. тр. - СПб. - Киров: Российская Академия транспорта - Вятская ГСХА, 2009. - Вып. 6. - С. 166 - 8. Торопов А.Е Влияние метаноло-топливной эмульсии на дымность отработавших газов в дизеле 4Ч 11,0/12,5 // Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства: Мосоловские чтения: материалы Международн. науч.-практ. конф. - Йошкар-Ола: Мар. гос. ун-т, 2009. - Вып. 10. - С. 381 - 385.

9. Торопов А.Е., Романов С.А. Влияние установочного угла опережения впрыскивания топлива на содержание токсичных компонентов в отработавших газах дизеля 4Ч 11,0/12,5 // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей внутреннего сгорания: материалы II Международн. науч.-практ. конф. «Наука - Технология - Ресурсосбережение»: сб. науч. тр. - СПб. - Киров:

Российская Академия транспорта - Вятская ГСХА, 2009. - Вып. 7. - С. 129 - 132.

10. Торопов А.Е., Лиханов В.А. Влияние применения метаноло-топливной эмульсии на экологические показатели и показатели процесса сгорания в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения частоты вращения // Науке нового века - знания молодых: материалы Всероссийской науч.-практ. конф. молодых ученых, аспирантов и соискателей: сб. науч. тр. В 3ч.

Биологические науки, ветеринарные науки, технические науки. - Киров: Вятская ГСХА, 2010. Ч. II. - С. 214 - 218.

11. Торопов А.Е. Улучшение экологических показателей дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на метаноло-топливной эмульсии на номинальном скоростном режиме // Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства: Мосоловские чтения: материалы Международн. науч.-практ. конф. - Йошкар-Ола: Мар. гос. ун-т, 2010. Вып. XII - C. 231 - 235.

12 Торопов А.Е. Снижение дымности отработавших газов дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на метаноло-топливной эмульсии // Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-2009»: материалы V Всероссийской науч.-практ. конф. Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2009. - Т 2. - С. 63 - 69.

13. Торопов А.Е., Лиханов В.А. Влияние применения метаноло-топливной эмульсии на показатели процесса сгорания и сажесодержание в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения частоты вращения // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей внутреннего сгорания: материалы III Международн. науч.-практ. конф. «Наука - Технология - Ресурсосбережение»: сб. науч. тр. - СПб. - Киров: Российская Академия транспорта - Вятская ГСХА, 2009. - Вып. 8. - С. 106 - 108.

14. Торопов А.Е., Лиханов В.А. Влияние применения метаноло-топливной эмульсии на показатели процесса сгорания, массовую и относительную концентрацию сажи в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения установочного УОВТ // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей внутреннего сгорания: материалы III Международн. науч.практ. конф. «Наука - Технология - Ресурсосбережение»: сб. науч. тр. - СПб. - Киров: Российская Академия транспорта - Вятская ГСХА, 2009. - Вып. 8. - С. 108 - 112.

15. Торопов А.Е., Лиханов В.А., Россохин А.В. Изменение показателей процесса сгорания и сажесодержания в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на МТЭ в зависимости от угла поворота коленчатого вала // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей внутреннего сгорания: материалы III Международн. науч.-практ. конф. «Наука - Технология - Ресурсосбережение»: сб. науч. тр. - СПб. - Киров: Российская Академия транспорта - Вятская ГСХА, 2009. - Вып. 8. - С. 112 - 115.

Заказ № 107. Подписано к печати 26 апреля 2010 г.

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

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

Отпечатано в типографии ВГСХА, г. Киров, 2010 г.