На правах рукописи

ГЛУХОВ АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ

СНИЖЕНИЕ ДЫМНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ

ДИЗЕЛЯ 2Ч 10,5/12,0 ПРИ РАБОТЕ НА МЕТАНОЛЕ

С ДВОЙНОЙ СИСТЕМОЙ ТОПЛИВОПОДАЧИ

Специальность 05.04.02 – тепловые двигатели

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург – 2009 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 кандидат технических наук доцент Галышев Юрий Витальевич

Ведущая организация: Чебоксарский политехнический институт (филиал) ГОУ ВПО «Московский государственный открытый университет» (г.Чебоксары)

Защита диссертации состоится 24 апреля 2009 г. в 1530 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. 2529, факс 465-05-05, [email protected].

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

Автореферат разослан и помещен на сайте http://www.spbgau.ru.

«23» марта 2009 г.

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

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В ближайшие десятилетия дизель останется одной из основных энергетических установок для транспортных средств в России. В тоже время дизель является одним их основных источников загрязнения окружающей среды и потребления моторных топлив (МТ), что определяет поиск новых топлив: природного газа, спиртов и т.д. Из спиртовых топлив можно выделить метиловый спирт (метанол).

Особое место среди способов использования метанола в качестве МТ занимает подача его непосредственно в цилиндр дизеля при работе с двойной системой топливоподачи (ДСТ). Этот способ позволяет экономить до 80% ДТ, но и требует существенных модификаций дизеля.

Известно, что в дизелях при сжигании жидких нефтяных видов топлива происходит образование токсичных компонентов, наиболее токсичными из которых являются оксиды азота и сажа. Сажа загрязняет воздух, ухудшает видимость на дорогах и засоряет дыхательные пути, вызывая хронические заболевания носоглотки и лёгких. Исходя из этого, существует необходимость изучения процесса сажеобразования и последующего окисления частиц сажи.

В связи с этим снижение дымности отработавших газов дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на метаноле с двойной системой топливоподачи 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 снижение дымности ОГ дизеля 2Ч 10,5/12,0 с полусферической камерой сгорания (КС) в поршне при работе на метаноле с двойной системой топливоподачи и впрыскивании дизельного топлива (запального) через многоструйную форсунку, изучение его влияния на процессы образования и выгорания сажи, токсические, мощностные и экономические показатели.

Объект исследований. Дизель 2Ч 10,5/12,0 (Д-21А1) воздушного охлаждения производства Владимирского тракторного завода с полусферической КС в поршне, работающий на альтернативном топливе – метаноле с ДСТ и впрыскивании ДТ (запального) через многоструйную форсунку.

Предмет исследования: процессы образования и выгорания сажи, экологические, мощностные и экономические показатели дизеля 2Ч 10,5/12,0 с полусферической КС в поршне при работе на метаноле с ДСТ и впрыскивании ДТ (запального) через многоструйную форсунку;.

Научную новизну работы представляют:

- результаты лабораторно-стендовых и теоретических исследований влияния применения метанола на процессы образования и выгорания сажи, экологические показатели дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на ДСТ с полусферической КС в поршне и впрыскивании ДТ (запального) через многоструйную форсунку;

- химизм процесса образования и выгорания сажи в цилиндре дизеля 2Ч 10,5/12,0 с полусферической КС в поршне при работе на метаноле с ДСТ и впрыскивании ДТ (запального) через многоструйную форсунку;

- математическая модель расчетов массовой и относительной концентрации сажи в цилиндре дизеля 2Ч 10,5/12,0 с полусферической КС в поршне при работе на метаноле с ДСТ и впрыскивании ДТ (запального) через многоструйную форсунку;

- результаты расчетов показателей массовой и относительной концентрации сажи в цилиндре и ОГ дизеля 2Ч 10,5/12,0 с полусферической КС в поршне при работе на метаноле с ДСТ и впрыскивании ДТ (запального) через многоструйную форсунку;

- рекомендации по снижению дымности отработавших газов дизеля 2Ч 10,5/12,0 с полусферической КС в поршне при работе на метаноле с ДСТ и впрыскивании ДТ (запального) через многоструйную форсунку.

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, 190601 и 190603.

Экономическая эффективность. При работе дизеля на метаноле с ДСТ экономия нефтяного топлива за счет применения более дешевого вида топлива – метанола, при годовой наработке 500 мото-часов составляет 26375 руб./год. Экономическая эффективность от снижения ущерба, наносимого токсичными компонентами, выбрасываемыми в атмосферу с ОГ дизеля при работе на метаноле с ДСТ, составит не менее 54645,3 руб. на 1 двигатель в год (в ценах на март 2008 года).

Апробация работы. Основные результаты и материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на: 52-й научной конференции профессорскопреподавательского состава и аспирантов Вятской ГСХА, 2005 г. (ФГОУ ВПО Вятская ГСХА, г. Киров); 5-й, 6-й, 7-й и 8-й городских научных конференциях аспирантов и соискателей, 2005...2008 г.г. (ФГОУ ВПО Вятская ГСХА, г. Киров); 17-ой региональной научно-практической конференции кафедр «Тракторы и автомобили» ВУЗов Поволжья и Предуралья, 2007 г. (ФГОУ ВПО Нижегородская ГСХА, г. Н. Новгород); Международной научно-технической конференции «Улучшение эксплуатационных показателей автомобилей, тракторов и двигателей», 2007 г. (ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский ГАУ», г. СанктПетербург-Пушкин); 1-ой и 2-ой Всероссийских научно-практических конференциях «Наука – Технология - Ресурсосбережение», 2007, 2008 гг. (ФГОУ ВПО Вятская ГСХА, г.

Киров); ІX-ой и Х-ой Международных научно-практических конференциях (Мосоловские чтения), 2007, 2008 гг. (ГОУ ВПО «Марийский ГУ», г. Йошкар-Ола); Международной научно – практической конференции «Проблемы энергообеспечения предприятий в АПК и сельских территорий», 2008 г. (ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский ГАУ», г. СанктПетербург-Пушкин); Международной научной конференции «Гидродинамика. Механика.

Энергетические установки», 2008 г. (Чебоксарский политехнический институт (филиал) МГОУ, г. Чебоксары).

Публикации результатов исследований. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 25 печатных работах, включая монографию объемом 9,6 п.л., статьи в центральном журнале, входящем в перечень ВАК РФ и статьи общим объемом 7,5 п.л., в т.ч. в сборниках трудов Международных и Всероссийских конференций опубликовано 11 статей. Без соавторов опубликовано 6 статьей общим объемом 1,7 п.л.

На защиту выносятся следующие основные результаты исследований:

- результаты лабораторно-стендовых и теоретических исследований влияния применения метанола на процессы образования и выгорания сажи, экологические показатели дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на ДСТ с полусферической КС в поршне и впрыскивании ДТ (запального) через многоструйную форсунку;

- химизм процесса образования и выгорания сажи в цилиндре дизеля 2Ч 10,5/12,0 с полусферической КС в поршне при работе на метаноле с ДСТ и впрыскивании ДТ (запального) через многоструйную форсунку;

- математическая модель расчетов массовой и относительной концентрации сажи в цилиндре дизеля 2Ч 10,5/12,0 с полусферической КС в поршне при работе на метаноле с ДСТ и впрыскивании ДТ (запального) через многоструйную форсунку;

- результаты расчетов показателей массовой и относительной концентрации сажи в цилиндре и ОГ дизеля 2Ч 10,5/12,0 с полусферической КС в поршне при работе на метаноле с ДСТ и впрыскивании ДТ (запального) через многоструйную форсунку;

- рекомендации по снижению дымности отработавших газов дизеля 2Ч 10,5/12,0 с полусферической КС в поршне при работе на метаноле с ДСТ и впрыскивании ДТ (запального) через многоструйную форсунку.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на страницах, в том числе 122 стр. текста, содержит 37 рисунков и 6 таблиц. Список литературы включает 181 наименование, в том числе 22 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе проведен анализ работ, выполненных по тематике рассматриваемой задачи. Результаты теоретических работ и экспериментальных исследований по использованию в дизелях альтернативных видов топлива не нефтяного происхождения, в том числе метанола, изучению процессов образования и выгорания сажи в цилиндре дизеля отражены в работах: С.А. Абрамова, В.С. Азева, Д.Г. Алексеева, Ю.П. Алейникова, Е.Е. Арсенова, В.И. Балакина, А.Г. Блоха, С.А. Батурина, А.Б. Виппера, П.Н. Вылегжанина, В.А. Гладких, С.Н. Гущина, А.М. Данилова, В.А. Звонова, Г.М. Камфера, А.Д. Кокурина, И.В. Ксенофонтова, С.Р. Лебедева, М.О. Лернера, В.А. Лиханова, В.Н. Ложкина, А.С. Лоскутова, В.М. Луканина, В.В. Луневой, В.А. Лукшо, В. Льотко, Р.В. Малова, В.З. Махова, Н.Н. Патрахальцева, В.М. Попова, Н.Ф. Разлейцева, М.Ю. Ратьковой, А.В. Россохина, В.Ф. Смаля, М.В. Страдомского, П.А. Теснера, А.Н. Чувашева, А.С. Хачияна и др.

Проведенный анализ результатов научных исследований показывает, что отечественными и зарубежными исследователями разработаны предпосылки, проведен ряд экспериментальных работ с использованием высокоточной измерительной техники по изучению процессов образования и выгорания сажи в цилиндре дизеля и ОГ. Имеются работы по исследованию возможности использования в дизелях в качестве моторного топлива метанола.

Вместе с тем необходимо отметить, что исследования по применению метанола в качестве моторного топлива проводились без изучения комплексного влияния на экологические, эффективные показатели и показатели рабочего процесса в цилиндре дизеля. Недостаточно работ по применению метанола с ДСТ и исследованию процессов образования и выгорания сажи в цилиндре дизеля малой размерности с воздушным охлаждением при работе на метаноле с ДСТ.

Вследствие этого имеются основания полагать, что снижение дымности ОГ дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на метаноле с ДСТ является актуальной научной задачей, имеющей важное значение и практическую значимость.

На основании поставленной цели сформулированы задачи исследований:

- провести лабораторно-стендовые и теоретические исследования влияния применения метанола на процессы образования и выгорания сажи, экологические показатели дизеля 2Ч 10,5/12,0 с полусферической КС в поршне с ДСТ и впрыскивании ДТ (запального) через многоструйную форсунку;

- разработать химизм процесса образования и выгорания сажи в цилиндре дизеля 2Ч 10,5/12,0 с полусферической КС в поршне при работе на метаноле с ДСТ и впрыскивании ДТ (запального) через многоструйную форсунку;

- разработать математическую модель расчетов массовой и относительной концентрации сажи в цилиндре дизеля 2Ч 10,5/12,0 с полусферической КС в поршне при работе на метаноле с ДСТ и впрыскивании ДТ (запального) через многоструйную форсунку;

- произвести расчет показателей массовой и относительной концентрации сажи в цилиндре и ОГ дизеля 2Ч 10,5/12,0 с полусферической КС в поршне при работе на метаноле с ДСТ и впрыскивании ДТ (запального) через многоструйную форсунку;

- разработать рекомендации по снижению дымности отработавших газов дизеля 2Ч 10,5/12,0 с полусферической КС в поршне при работе на метаноле с ДСТ и впрыскивании ДТ (запального) через многоструйную форсунку.

Во второй главе представлены теоретические предпосылки по анализу процессов образования и выгорания сажи в камере сгорания дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на метаноле с ДСТ при впрыскивании ДТ (запального) через многоструйную форсунку.

На основании проведенного обзора существующих теорий образования и выгорания сажи мы предполагаем, что основным механизмом, влияющими на образование сажистых частиц в цилиндре дизеля при работе на метаноле, является низкотемпературный фенильный механизм (НТФМ).

НТФМ является определяющим массовый выход сажи в цилиндре дизеля. В пользу этого предположения выступают следующие аргументы:

1. Максимальная локальная температура пламени в цилиндре дизеля при работе на