На правах рукописи

РОМАНОВ СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА

ДИЗЕЛЯ 4Ч 11,0/12,5 ПРИ РАБОТЕ

НА МЕТАНОЛО-ТОПЛИВНОЙ ЭМУЛЬСИИ

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 Сковородин Василий Яковлевич кандидат технических наук, доцент Галышев Юрий Витальевич

Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия»

(г. Нижний Новгород)

Защита диссертации состоится 4 июня 2010 г. в 13 ч. 30 мин. 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.

«3» мая 2010 г.

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

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Снижение темпов нефтедобычи в ряде стран, включая Россию, и снижение ее рентабельности являются первопричиной увеличения стоимости нефтепродуктов и накладывают определенные ограничения на развитие экономик отдельных стран и мировой экономики в целом. Данное обстоятельство уже сегодня заставляет серьезно задуматься об альтернативных источниках энергии не нефтяного происхождения.

Постоянное ужесточение норм на содержание токсичных веществ в отработавших газах (ОГ) и повышение требований по улучшению топливной экономичности стимулируют исследования по созданию новых моторных топлив (МТ).

Использование на транспорте альтернативных смесевых топлив на основе метилового спирта позволяет замещать нефтяные топлива, значительно расширяет сырьевую базу для получения МТ, облегчает решение вопросов модернизации топливных систем транспортных средств. Возможность получения МТ с требуемыми физико-химическими свойствами позволяет целенаправленно совершенствовать рабочие процессы дизелей, улучшать показатели топливной экономичности и токсичности ОГ.

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).

Цель исследований. Исследование рабочего процесса дизеля 4Ч 11,0/12,5 с камерой сгорания (КС) типа ЦНИДИ при работе на метаноло-топливной эмульсии (МТЭ).

Объект исследований. Дизель 4Ч 11,0/12,5 (Д-240) жидкостного охлаждения, с КС типа ЦНИДИ, работающий на альтернативном топливе (АТ) - метаноло-топливной эмульсии.

Предмет исследования: мощностные, экономические и экологические показатели, процессы смесеобразования, сгорания и тепловыделения в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 с КС типа ЦНИДИ при работе на МТЭ.

Научную новизну работы представляют:

- результаты исследования физико-химических свойств новых МТЭ различного состава;

- результаты лабораторно-стендовых и теоретических исследований влияния применения МТЭ на процесс сгорания, характеристики тепловыделения, мощностные, экономические и экологические показатели дизеля 4Ч 11,0/12,5 с КС типа ЦНИДИ;

- модель расчета геометрических параметров процессов впрыскивания и распыливания АТ на основе традиционного топлива;

- расчет геометрических параметров процесса впрыскивания и распыливания дизельного топлива (ДТ) и МТЭ в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 с КС типа ЦНИДИ;

- рекомендации по применению МТЭ в качестве моторного топлива в дизеле 4Ч 11,0/12,5 с КС типа ЦНИДИ.

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. При работе дизеля на МТЭ суммарные массовые выбросы токсичных веществ в атмосферу снижаются на 58,7 % по сравнению с работой на ДТ, а суммарная экономия от использования альтернативного моторного топлива составляет 48142 руб. в год на один двигатель при средней наработке 500 мото-ч. (в ценах на декабрь 2009 года).

Апробация работы. Основные результаты и материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались: на 17 научно-практической конференции кафедр «Тракторы и автомобили» вузов Поволжья и Предуралья «Повышение технико-экономических и экологических показателей двигателей, тракторов, автомобилей в сельскохозяйственном производстве», 2007 г. (Нижегородская ГСХА, г. Н. Новгород); 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); 7, 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); X, ХI и ХII Международных научно-практических конференциях «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства» (Мосоловские чтения), 2008…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 и 6 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); Международных научно-практических конференциях «Энергетика предприятий АПК и сельских территорий: состояние, проблемы и пути решения», 2009, 2010 гг. (Санкт-Петербургский государственный аграрный университет, г.

Санкт-Петербург).

Публикации результатов исследований. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 24 печатных работах, включая монографию объемом 10,38 п.л., статьи в центральном журнале, входящем в перечень ВАК РФ, и статьи общим объемом 5,88 п.л., в т.ч. в сборниках трудов Международных и Всероссийских конференций опубликовано 18 статей. Без соавторов опубликовано 8 статей общим объемом 2,25 п.л.

На защиту выносятся следующие положения и основные результаты исследований:

- результаты исследования физико-химических свойств новых МТЭ различного состава;

- результаты лабораторно-стендовых и теоретических исследований влияния применения МТЭ на процесс сгорания, характеристики тепловыделения, мощностные, экономические и экологические показатели дизеля 4Ч 11,0/12,5 с КС типа ЦНИДИ;

- модель расчета геометрических параметров процессов впрыскивания и распыливания АТ на основе традиционного топлива;

- расчет геометрических параметров процесса впрыскивания и распыливания ДТ и МТЭ в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 с КС типа ЦНИДИ;

- рекомендации по применению МТЭ в качестве моторного топлива в дизеле 4Ч 11,0/12,5 с КС типа ЦНИДИ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, выводов и рекомендаций, списка литературы и приложений. Работа изложена на 210 страницах, в том числе 165 стр. текста, содержит 54 рисунка и 7 таблиц. Список литературы содержит 199 наименований, в том числе 18 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 литературы по применению в дизелях смесевых топлив. Результаты теоретических работ и экспериментальных исследований по использованию в дизелях спиртовых топлив, в частности, метанола, представлены в работах: С.А.

Абрамова, В.С. Азева, Д.Г. Алексеева, Ю.П. Алейникова, А.А. Анфилатова, Е.Е. Арсенова, В.И. Балакина, А.Б. Виппера, В.А. Гладких, С.Н. Гущина, В.А. Звонова, Г.М. Камфера, И.В. Ксенофонтова, С.Р. Лебедева, М.О. Лернера, В.А. Лиханова, В.М. Луканина, В.В. Луневой, В.А. Лукшо, В. Льотко, Р.В. Малова, В.З. Махова, Н.В. Носенко, А.М. Обельницкого, Н.Н. Патрахальцева, С.А. Плотникова, В.М. Попова, В.П. Попова, М.Ю. Ратьковой, В.Ф. Смаля, А.С. Хачияна, А.Н. Чувашева и других.

Анализ физико-химических и эксплуатационных свойств, теоретических исследований эмульсий различного состава подтвердил возможность использования данного вида топлива в дизелях. Кроме того, эмульсии являются наиболее простым, дешевым и доступным способом применения спиртов в качестве моторного топлива, позволяя экономить ДТ, не требуя значительных затрат на внесение конструктивных изменений и дополнений в дизель, имея возможность реализации в эксплуатируемых двигателях. Однако убедительные выводы возможны только на основании проводимых испытаний.

Все это дает основание предполагать, что исследование рабочего процесса дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на МТЭ, а именно, изучение влияния данного топлива на показатели процесса сгорания, характеристики тепловыделения, эффективные и экологические показатели, является актуальной научной задачей, имеющей важное народнохозяйственное значение. На основании поставленной цели сформулированы следующие задачи исследований:

- исследовать физико-химические свойства и разработать новые МТЭ с различными присадками;

- провести лабораторно - стендовые исследования для изучения влияния применения МТЭ на процесс сгорания, характеристики тепловыделения, мощностные, экономические и экологические показатели дизеля 4Ч 11,0/12,5 с КС типа ЦНИДИ;

- разработать модель расчета геометрических параметров процессов впрыскивания и распыливания АТ на основе традиционного топлива;

- провести расчет геометрических параметров процесса впрыскивания и распыливания ДТ и МТЭ в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 с КС типа ЦНИДИ;

- разработать рекомендации по применению МТЭ в качестве моторного топлива в дизеле 4Ч 11,0/12,5 с КС типа ЦНИДИ.

Во втором разделе предложены теоретические предпосылки по исследованию рабочего процесса дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на МТЭ.

Характеристики процесса сгорания в дизелях с объемно-пленочным смесеобразованием зависят от скорости истечения топлива из сопловых отверстий, скорости продвижения переднего фронта факела и глубины его проникновения в камеру (дальнобойности), угла конуса факела, распределения топлива в объеме факела, мелкости и однородности его распыливания. Наиболее широкие обобщения многочисленных экспериментальных данных по определению параметров распыленного топлива сделаны в работах А.С. Лышевского, что позволяет применять предложенные им критериальные зависимости (уточненные Н.Ф. Разлейцевым) для приближенных расчетов характеристик топливного факела в различных условиях впрыска.

При своем развитии топливный факел проходит три участка, отличающихся закономерностями распада и движения Рис. 1. Схематичное представление при этом сами теряют его, что является первой причиной уменьшения количества движения топливного факела. В тоже время вместо этих частиц из окружающей среды поступают частицы, не имеющие продольной скорости и, безусловно, они уменьшают количество движения частиц топлива в факеле - вторая причина. Для расчета параметров впрыска топлива практический интерес представляют данные, полученные при больших противодавлениях в камере распыливания. В этом случае рекомендуются зависимости, учитывающие следующие критерии:

- критерий Вебера, характеризующий соотношение сил поверхностного натяжения и инерции:

- критерий М, характеризующий соотношение сил поверхностного натяжения, инерции и вязкости:

-отношение плотностей воздуха и топлива:

Здесь Uср - средняя для всего периода впрыска скорость истечения топлива из распылителя, м/с; dc - диаметр сопла, dc = 0,32 мм; Т - плотность топлива, кг/м3; Т - поверхностное натяжение топлива, Н/м; µТ - динамическая вязкость топлива, Па·с; в - плотность воздуха в КС, кг/м3.

Средняя для всего периода впрыска скорость истечения цикловой порции топлива из распылителя определяется:

где Вц - цикловая порция топлива, кг/цикл; с - коэффициент расхода, зависит от конструктивных особенностей распылителя, с = 0,7; fc - суммарная площадь сопловых отверстий, м2; - продолжительность впрыска, с.

Плотность воздуха в конце условно продолженного до в.м.т. сжатия определяется:

где m - молекулярная масса воздуха, m = 28,9 кг/кмоль; Mv - количество газов в цилиндре, кмоль; Vс - объем камеры сжатия, м3.

Количество газов в цилиндре определяется:

где Мсм - количество свежего заряда, кмоль; ог - коэффициент остаточных газов, ог = 0,03. Количество свежего заряда определяется:

где VS - коэффициент наполнения цилиндра; рs - давление на впуске, МПа; Тs - температура на впуске, К.

Граница между начальным и основным участком развития факела определяется:

где Сф = 8,85 - эмпирический коэффициент.

Путь пройденный вершиной факела вдоль его оси на основном участке, определяется:

где Dф - коэффициент характеризующий особенности конструкции и регулировки форсунок, Dф = 4; Т - время от начала впрыска, с.

Средний диаметр капель дисперсного топливного факела определяется:

где Ек - постоянный коэффициент, зависящий от конструкции форсунки и способа осреднения размеров капель, Ек = 1,7.

Угол конуса струи распыленного топлива на основном участке определяется:

где Fф - эмпирический коэффициент для закрытых форсунок при импульсном впрыскивании, Fф = 0,009.

Анализ результатов расчетов показывает, что при переходе дизеля на работу с ДТ на МТЭ, вследствие увеличения вязкости топлива, происходит увеличение суммарной дальнобойности факела, следовательно, возрастает расстояние до границы между начальным и основным участком развития факела, при этом, значительно увеличивается путь, проходимый вершиной факела на основном участке. Все это ведет к тому, что снижается время достижения стенки КС струей АТ. Также в связи с повышением поверхностного натяжения МТЭ, происходит увеличение среднего диаметра капель. Угол рассеивания топливной струи уменьшается.

На наш взгляд, с учетом отличия физико-химических свойств альтернативных топлив, можно применить к ним разработанную математическую модель процессов смесеобразования жидких углеводородных топлив нефтяного происхождения, основные положения которой изложены выше. При создании и разработке математической модели смесеобразования и сгорания альтернативных жидких топлив (метанол, этанол, метанолотопливная эмульсия, рапсовое масло, метилэфир рапсового масла и др.) используются математические выражения и критериальные зависимости, предложенные А.С. Лышевским и уточненные Н.Ф. Разлейцевым применительно к быстроходным форсированным дизелям.

Нами была проведена оценка возможности использования критериальных зависимостей для определения дальнобойности l и угла раскрытия топливной струи, мелкости распыливания dк применительно к жидким АТ. В структуре выражений для определения величин l,, dк претерпевают изменения, при постоянных режимных, конструктивных и регулировочных параметрах двигателя, только физические параметры традиционного и альтернативного топлива -, µ, и. Рассмотрим математические выражения, по которым определяются характеристика впрыскивания и распыливания топлива и критериальные зависимости.

Граница между начальным и основным участками развития струи для традиционного топлива определяется по выражению (8), запишем данное выражение с учетом критериальных зависимостей (1-4):

После ряда несложных преобразований получим выражение lТ в функции величин Т, µТ, и Т:

ные величины.

Аналогично выражению (14) запишем выражение для альтернативного топлива:

Разделив выражение lгрАТ (15) на lгрТ (14), получаем:

Как видно из выражения (17), изменение плотности топлива относительно стандартной величины практически не влияет изменение границы между начальным и основным участками развития струи. Основным фактором, влияющим на lгрАТ является величина динамической вязкости топлива.

Расчет пути, проходимого вершиной факела традиционного топлива вдоль его оси на основном участке определяется из выражений (9 и 10), запишем данные выражения с учетом критериальных зависимостей (1-4):

После ряда несложных преобразований получим выражение lТ в функции величин Т, µТ, и Т :

себя постоянные величины.

Аналогично (19) запишем выражение для альтернативного топлива:

Разделив выражение l0АТ (20) на l0Т (19), получаем:

АТ АТ АТ АТ

Как видно из выражения (22), изменение плотности и поверхностного натяжения топлива относительно стандартной величины практически не влияет на путь проходимый вершиной факела АТ. Основными факторами, влияющим на l0АТ, являются: величина динамической вязкости топлива, а также продолжительность впрыскивания топлива, которая при переходе на АТ возрастает вследствие увеличения цикловой подачи.

Критериальное уравнение для отыскания средних диаметров капель топливной струи на основе выражения (11), с учетом зависимостей (1-4) запишется в следующем виде:

Исходя из того, что конструкция форсунки остается неизменной при переходе на АТ, коэффициент Ек не изменяется. После ряда несложных преобразований получим выражение dк в функции величин Т, µТ, и Т:

стоянные величины.

Аналогично (24) запишем выражение для альтернативного топлива:

АТ АТ АТ

Разделив выражение dкАТ (25) на dкТ (24), получаем:

АТ АТ АТ

Как видно из выражения (27), на диаметр капель оказывают влияние плотность, поверхностное натяжение и вязкость топлива. По мере увеличения Т, µТ, и Т (переход к более тяжелым и вязким топливам) средний диаметр капель возрастает.

Критериальное уравнение определения угла раскрытия топливной струи на основном участке на основании выражения (12), можно записать в виде:

С учетом критериальных зависимостей (1-4), получим:

После ряда преобразований получим выражение tg(Т/2) в функции величин Т, µТ, и циент.

Аналогично (30) запишем выражение для альтернативного топлива:

Разделив выражение tg(АТ/2) (31) на tg(Т/2) (30), получаем:

При впрыскивании в цилиндр двигателя, например, вязкой МТЭ, угол рассеивания топливной струи, и ее боковая поверхность уменьшается, что приведет к уменьшению количества испарившегося топлива за период задержки воспламенения и более «жесткой»

работе двигателя. Уменьшение угла рассеивания топливной струи позволит увеличить число сопловых отверстий и интенсифицировать «закрутку» воздушного заряда, что, в конечном итоге, положительно отразится на топливной экономичности двигателя.

Предлагаемая методика расчета позволяет определить основные параметры распыла альтернативного топлива, учитывая изменения плотности, динамической вязкости и поверхностного натяжения топлива при прочих равных условиях, а также сокращает время расчета и оптимизирует основные параметры распыла альтернативного топлива со значениями, полученными по классической методике, разница составляет менее 1,5 %.

В третьем разделе рассмотрены особенности использования методик, которые применялись в экспериментальных исследованиях, а также созданные экспериментальные установки, используемые приборы и оборудование.

Исследования стабильности МТЭ проводились по методике, разработанной НПО «Синтез ПАВ», с учетом традиционных методик. Эмульсии приготавливались на гомогенизаторе MPW-302 при частоте вращения вала 2000 мин-1.

Экспериментальная установка включала в себя электротормозной стенд SAK-N 670, дизель Д-240, измерительную аппаратуру. При стендовых испытаниях дизеля, газовом анализе ОГ, монтаже и эксплуатации приборов и оборудования учитывались требования ГОСТ 15888-90, ГОСТ Р 41.96-99, ГОСТ Р 41.83-2004, ГОСТ Р 51998-2002, ГОСТ Р ИСО 8178-7-99, ГОСТ 10579-88, ГОСТ 10578-96, ГОСТ 8581-78, ГОСТ Р 41.24-2003, ГОСТ 17.2.1.02-76, ГОСТ 17.2.1.03-84, ГОСТ 18509-88 ГОСТ 17.2.2.02-98, ГОСТ 17.2.2.05-97.

Испытания проводились на всех нагрузочных и скоростных режимах работы дизеля с использованием летнего ДТ по ГОСТ 305-82, моторного масла М-10-Г2 по ГОСТ 17479.1-85, технического метанола по ГОСТ 2222-95. Индицирование процесса сгорания в цилиндре дизеля проводилось индикатором МАИ-5А, оснащенным датчиком давления, который устанавливался в головке блока дизеля и соединялся каналом с камерой сгорания. Обработка индикаторных диаграмм рабочего процесса дизеля при работе на ДТ и МТЭ 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.

В четвертом разделе представлены результаты экспериментальных исследований стабильности МТЭ и рабочего процесса дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на МТЭ.

На рис. 2. представлены графики стабильности МТЭ к процессу седиментации с применением присадки сукцинимид С-5А и при добавлении в состав эмульсии воды (7 % по массе). Стабильность эмульсии повышается как при увеличении концентрации присадки, так и при увеличении концентрации метанола. Так, при концентрации метанола 25 % стабильность эмульсии повышается от 17,9 часа при КП = 0,5 % до 34,6 часа при КП = 2,0 %.

установочного угла опережения впрыскивания топлива (УОВТ) (рис. 3.), можно отметить, что исходя из минимального удельного расхода ДТ в составе МТЭ - geДТприв., при сукцинимид С-5А и различной концентрацией метанола: КП - концентрация присадки; 10, 20, 30, 40, 50 % - концентрация метанола индикаторные диаграммы при работе дизеля на ДТ и при работе на МТЭ при оптимальных установочных УОВТ при номинальной частоте вращения. При переходе на полученные в результате обработки индикаторных диаграмм. Максимальная осредненная температура цикла Тmax при работе диРис. 3. Влияние применения МТЭ на эффективные показатели дизеля 4Ч 11,0/12, в зависимости от изменения установочного Тmax = 14,0 п.к.в. после ВМТ. При работе на МТЭ характерно увеличение скорости тепловыделения d/d и сдвиг максимума скорости вправо от ВМТ. При работе на ДТ (d/d)max = 0,086 и наблюдается при угле = 0,4 п.к.в. после ВМТ, а при работе на МТЭ (d/d)max = 0,177 и достигается при угле = 9,5 п.к.в. после ВМТ. Кривые относительного () и активного (i) тепловыделений при работе дизеля на МТЭ быстрее достигают своего максимума. Таким образом, тепловыделение при работе дизеля на МТЭ идет более быстро. Величина активного тепловыделения, соответствующая максимальному давлению сгорания рz max при работе дизеля на ДТ составляет i Рz max = 0,60, а при работе на МТЭ i Рz max = 0,69. Величина активного тепловыделения, соответствующая максимальной осредненной температуре Тmax при работе дизеля на ДТ составляет i Т max = 0,70, а при работе на МТЭ i Т max = 0,79.

Рис. 4. Влияние применения МТЭ на индикаторные показатели (а) и характеристики тепловыделения (б) дизеля 4Ч 11,0/12,5 при впр ДТ = 26°, впр МТЭ = 23°, n = 2200 мин-1, ре = 0,64 МПа На рис. 5, а представлены графики влияния применения МТЭ на показатели процесса сгорания при оптимальных установочных УОВТ в зависимости от изменения нагрузки на номинальной частоте вращения. Величина Тmax при переходе на МТЭ на малых нагрузках (pе = 0,38 МПа) повышается от 2010 до 2120 К, а при нагрузке pе = 0,70 МПа повышается от 2270 до 2600 К. Величина pz max при переходе на МТЭ при pе = 0,38 МПа снижается от 7,7 до 5,6 МПа, а при pе = 0,70 МПа повышается от 8,7 до 8,8 МПа. Степень повышения давления при pе = 0,38 МПа составляет 1,88 при работе на ДТ, а при работе дизеля на МТЭ = 1,83. При pе = 0,70 МПа при работе на ДТ = 2,15, а при работе на МТЭ - 2,33, т.е. в области высокой нагрузки значение увеличивается. Значение (dp/d)max при переходе на МТЭ при pе = 0,38 МПа повышается от 0,63 до 0,75 МПа/град, а при pе = 0,70 МПа повышается от 0,74 до 1,37 МПа/град. Значение угла i соответствующего ПЗВ при переходе на МТЭ при pе = 0,38 МПа повышается от 23,5 до 36,0 п.к.в., а при pе = 0,70 МПа повышается от 22,0 до 30,0 п.к.в.

На рис. 5, б представлено влияние применения МТЭ на характеристики тепловыделения дизеля при оптимальных установочных УОВТ в зависимости от изменения нагрузки на номинальной частоте вращения. Угол T max при переходе на МТЭ при pе = 0,38 МПа повышается от 7,5 до 20,0 п.к.в. после ВМТ, а при pе = 0,70 МПа повышается также от 7, до 14,0 п.к.в. после ВМТ. Значение (d/d)max при переходе на МТЭ при pе = 0,38 МПа повышается от 0,127 до 0,194, при pе = 0,70 МПа повышается от 0,82 до 0,174. Величина i Pz max при переходе на МТЭ при pе = 0,38 МПа повышается от 0,69 до 0,81, при pе = 0,70 МПа повышается от 0,59 до 0,67. Значение i Tmax при переходе на МТЭ при pе = 0,38 МПа возрастает от 0,78 до 0,87, при pе = 0,70 МПа возрастает от 0,69 до 0,78.

Рис. 5. Влияние применения МТЭ на индикаторные показатели (а) и характеристики тепловыделения (б) дизеля 4Ч 11,0/12,5 при n = 2200 мин-1 в зависимости от изменения нагрузки:

На рис. 6, а представлено влияние применения МТЭ на показатели процесса сгорания дизеля при оптимальных установочных УОВТ в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала. При переходе на МТЭ значения представленных параметров повышаются. Величина Тmax на малой частоте вращения (n = 1200 мин-1) повышается от 2170 до 2260 К, при увеличении частоты вращения до n = 2400 мин-1 Тmax повышается от 2230 до 2630 К. Значение pz max при n = 1200 мин-1 повышается от 8,6 до 9,1 МПа, а при n = 2400 мин-1 повышается от 8,4 до 8,5 МПа. Величина при n = 1200 мин-1 повышается от 2,26 до 2,40, а при n = 2400 мин-1 повышается от 2,07 до 2,23. Величина (dp/d)max при n = 1200 мин-1 повышается от 0,83 до 1,58 МПа/град, при n = 2400 мин-1 (dp/d)max повышается от 0,69 до 1,16 МПа/град. Значение i при n = 1200 мин-1 повышается от 20,0 до 22,0 п.к.в., при n = 2400 мин-1 повышается от 23,0 до 32,0 п.к.в. На рис. 6, б представлено влияние применения МТЭ на характеристики тепловыделения дизеля при оптимальных установочных УОВТ в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала.

Угол T max при переходе на МТЭ снижается при n = 1200 мин-1 от 5,5 до 5,0 п.к.в. после ВМТ, при n = 2400 мин-1 повышается от 8,0 до 15,0 п.к.в. после ВМТ. Величина (d/d)max при переходе на МТЭ повышается при n = 1200 мин-1 от 0,110 до 0,139, а при n = 2400 мин- - от 0,081 до 0,185. Величина i Pz max при переходе на МТЭ при n = 1200 мин-1 снижается от 0,71 до 0,58, а при n = 2400 мин-1 повышается от 0,58 до 0,70. Значения i Tmax при n = 1200 мин-1 составляют 0,73 при работе на ДТ и 0,60 при работе на МТЭ. При n = 2400 мин-1 при переходе на МТЭ величина i Tmax повышается от 0,69 до 0,80.

Рис. 6. Влияние применения МТЭ на показатели процесса сгорания (а) и характеристики тепловыделения (б) дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого На рис. 7, а представлено влияние применения МТЭ на эффективные показатели дизеля при оптимальных установочных УОВТ в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала. Часовой расход ДТ в составе МТЭ - GДТприв. при n = 1200 мин-1 совпадает с расходом топлива GДТ при работе на ДТ и составляет 6,8 кг/ч, а при частоте n = 2400 мин-1 GДТприв. снижается по сравнению с GДТ от 14,4 до 13,3 кг/ч. Значение эффективного удельного расхода ДТ в составе МТЭ - geДТприв. при n = 1200 мин-1 составляет 210 г/(кВт·ч), а geДТ = 231 г/(кВт·ч), при n = 2400 мин-1 geДТприв. = 232 г/(кВт·ч), а geДТ = 252 г/(кВт·ч). Значение эффективного кпд е при переходе на МТЭ снижается по сравнению с работой на ДТ. При n = 1200 мин-1 е снижается от 0,345 до 0,309, а при частоте n = 2400 мин-1 от 0,328 до 0,286. Часовой расход воздуха GВ при n = 1200 мин-1 при переходе на МТЭ снижается от 182 до 176 кг/ч, а при n = 2400 мин-1 снижается от 345 до 330 кг/ч. Коэффициент избытка воздуха при переходе на МТЭ также снижается: от 1, до 1,57 при n = 1200 мин-1 и от 1,67 до 1,37 при n = 2400 мин-1. При переходе на МТЭ снижается температура ОГ. Так, при n = 1200 мин-1 значение tг снижается от 460 до 410 С, а при n = 2400 мин-1 от 490 до 480 С. Кривая эффективной мощности Ne при работе на МТЭ на малых частотах вращения (до n = 2000 мин-1) расположена выше кривой соответствующей работе на ДТ. Так при n = 1200 мин-1 Ne повышается от 29,6 до 32,2 кВт, а при n = 2400 мин-1 от 56,6 до 57,1 кВт. Значения Мк при n = 1200 мин-1 при переходе на МТЭ повышается от 242 до 261 Н·м, а при n = 2400 мин-1 повышается от 230 до 231 Н·м.

На рис. 7, б представлено влияние применения МТЭ на экологические показатели дизеля при оптимальных установочных УОВТ в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала. Содержание NOх в ОГ при работе дизеля на МТЭ больше, чем при работе дизеля на ДТ. Так, при n = 1200 мин-1 содержание NOх повышается от 680 до 873 ppm, при n = 2400 мин-1 содержание NOх повышается от 588 до 730 ppm. Содержание СО в ОГ при переходе на МТЭ снижается на интервале от n = 1200 мин-1 до n = 2200 мин- от 0,23 до 0,11 % и от 0,14 до 0,105 % соответственно. При частоте вращения n = 2400 мин- содержание СО в ОГ повышается от 0,09 до 0,102 %. Содержание СО2 в ОГ при работе на МТЭ больше на всем диапазоне изменения частот. Так при n = 1200 мин-1 СО2 повышается от 7,65 до 9,72 %, а при n = 2400 мин-1 повышается от 8,16 до 8,52 %. Содержание СНх в ОГ при переходе на МТЭ на всех частотах вращения повышается. Так при n = 1200 мин- содержание СНх повышается от 0,045 до 0,094 %, а при n = 2400 мин-1 от 0,082 до 0,13 %.

Дымность ОГ (С) при работе дизеля на МТЭ значительно меньше на всем диапазоне изменения частот вращения. Так, при n = 1200 мин-1 значение дымности снижается от 2,3 до 0,7 ед. по шкале Bosch, а при n = 2400 мин-1 снижается от 2,8 до 1,2 ед. по шкале Bosch.

Рис. 7. Влияние применения МТЭ на эффективные (а) и экологические (б) показатели дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала:

В пятом разделе рассчитана эффективность применения МТЭ в качестве моторного топлива в дизеле 4Ч 11,0/12,5. При работе дизеля на МТЭ суммарные массовые выбросы токсичных веществ в атмосферу снижаются на 58,7 % по сравнению с работой на ДТ, а суммарная экономия от использования альтернативного моторного топлива составляет 48142 руб. в год на один двигатель при средней наработке 500 мото-ч. (в ценах на декабрь 2009 года).

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. В результате проведенных исследований физико-химических свойств МТЭ различного состава, в качестве оптимальной, для дизеля 4Ч 11,0/12,5 с КС типа ЦНИДИ была принята эмульсия следующего состава: метанол - 25 %, сукцинимид С-5А - 0,5 %, вода ДТ - 67,5 %. Все стендовые испытания дизеля проводились на топливе данного состава.

2. На основании проведенных экспериментальных стендовых исследований рабочего процесса дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на МТЭ определены значения оптимальных установочных углов опережения впрыскивания топлив: для ДТ - 26 п.к.в. до ВМТ, для МТЭ - 23 п.к.в до ВМТ. При этом установлена возможность сохранения мощностных показателей на уровне серийного дизеля при концентрации метанола в составе МТЭ - 25 %. Этим достигается экономия ДТ до 32,5 % путем замены его другими компонентами и происходит снижение суммарной токсичности ОГ дизеля на 58,7 %.

3. На основании теоретических исследований предложены:

- модель расчета геометрических параметров процессов впрыскивания и распыливания альтернативных топлив на основе традиционного топлива;

- расчет геометрических параметров процесса впрыскивания и распыливания ДТ и МТЭ в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 с КС типа ЦНИДИ.

4. Экспериментальными исследованиями рабочего процесса дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на МТЭ определены значения показателей процесса сгорания и характеристик тепловыделения на номинальном режиме работы дизеля: Тmax повышается на 16,2 % и составляет 2580 К (на ДТ Тmax = 2220 К); рz max повышается на 0,4% и составляет 8,54 МПа (на ДТ рz max = 8,51 МПа); (dp/d)max повышается на 74,5 % и составляет 1,251 МПа/град (на ДТ (dp/d)max = 0,717 МПа/град); угол i увеличивается на 36,4 % и составляет 30,0 п.к.в. (на ДТ i = 22,0 п.к.в.); (d/d)max возрастает в 2,0 раза и составляет 0,177, (на ДТ (d/d)max = 0,086); i Tmax увеличивается на 12,6 % и составляет 0,789 (на ДТ i Tmax = 0,701);

i Рz max увеличивается на 14,7 % и составляет 0,688 (на ДТ i Рz max = 0,60).

5. Исследованиями показателей процесса сгорания и характеристик тепловыделения дизеля 4Ч 11,0/12,5 при переходе на МТЭ (по сравнению с работой на ДТ) в зависимости от изменения нагрузки на номинальной частоте вращения коленчатого вала установлено:

повышение Тmax составляет от 5,5 % при pе = 0,38 МПа до 14,5 % при pе = 0,70 МПа; снижение рz max на 27,3 % при pе = 0,38 МПа и увеличение на 1,1 % при pе = 0,70 МПа; повышение (dp/d)max на 19,0 % при pе = 0,38 МПа и повышение на 85,1 % при pе = 0,70 МПа;

повышение i на 53,2 % при pе = 0,38 МПа и повышение на 36,4 % при pе = 0,70 МПа; повышение (d/d)max на 52,8 % при pе = 0,38 МПа и повышение в 2,1 раза при pе = 0,70 МПа;

при pе = 0,38 МПа повышение i Рz max на 16,9 % и повышение i Рz max на 14,7 %; при pе = 0,38 МПа повышение i Tmax на 11,6 %; при pе = 0,70 МПа повышение i Tmax на 13,1 %.

6. Исследованиями показателей рабочего процесса дизеля 4Ч 11,0/12,5 при переходе на МТЭ (по сравнению с работой на ДТ) в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала установлено: повышение Тmax на 4,1 % при n = 1200 мин-1 и на 17,9 % при n = 2400 мин-1; повышение рz max на 5,8 % при n = 1200 мин-1 и на 1,2 % при n = 2400 мин-1;

повышение (dp/d)max на 90,4 % при n = 1200 мин-1 и на 68,1 % при n = 2400 мин-1; повышение угла i на 10,0 % при n = 1200 мин-1 и на 39,1 % при n = 2400 мин-1; повышение (d/d)max на 26,4 % при n = 1200 мин-1 и в 2,3 раза при n = 2400 мин-1; снижение i Tmax на 17,8 %, при n = 1200 мин-1 и повышение на 15,9 % при n = 2400 мин-1; снижение i Рz max на 18,3 %; при n = 1200 мин-1 и повышение на 20,7 % при n = 2400 мин-1.

7. Экспериментальными исследованиями определены значения основных эффективных показателей дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на МТЭ на номинальном режиме:

- часовой расход дизельного топлива снижается на 12,5 % и составляет 11,8 кг/ч (при работе дизеля на ДТ - 13,5 кг/ч);

- часовой расход дизельного топлива при n = 1200 мин-1 снижается на 0,7 %, а при n = 2400 мин-1 снижается на 7,6 %;

- значение е снижается на 11,8 % и составляет 0,30 (при работе дизеля на ДТ - 0,34).

8. Анализ ОГ дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на МТЭ на номинальном режиме показывает увеличение объемного содержания СНх на 73,9 %, СО2 на 14,5 %, NOх на 21,7 % и снижение содержания СО на 25,0 % и дымности ОГ в 2,9 раза.

9. Для осуществления рабочего процесса дизеля 4Ч 11,0/12,5 при использовании в качестве основного топлива МТЭ необходимо соблюдать следующие рекомендации:

- с целью предотвращения разложения МТЭ принятого состава не хранить эмульсию в топливных баках более 18 часов;

- максимальная величина концентрации метанола в составе МТЭ не должна превышать 25 % из условия отсутствия неустойчивой работы дизеля и пропусков воспламенения в цилиндре;

- при работе на МТЭ для достижения наименьшего удельного расхода топлива, достижения минимальных выбросов токсичных компонентов с ОГ и снижения «жесткости»

процесса сгорания необходимо снизить установочный УОВТ до впр МТЭ = 23.

10. Суммарная экономия от использования альтернативного моторного топлива составляет 48142 руб. в год на один двигатель при средней наработке 500 мото-ч. (в ценах на декабрь 2009 года).

Положения диссертации опубликованы в 24 печатных работах, основные из которых:

1. Лиханов В.А., Романов С.А. Исследование рабочего процесса дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на метаноло-топливной эмульсии: монография. - Киров: Вятская ГСХА, 2010. - 166 с.

2. Эффективные показатели дизеля при работе на метаноло-топливной эмульсии / С.А. Романов [и др.] // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2010. - № 3. - С. 9-10.

3. Изменение токсических показателей дизеля при работе на метаноло-топливной эмульсии / С.А. Романов [и др.] // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2010. - № 4. - С. 7-8.

4. Романов С.А. Свойства метаноло-топливных эмульсий // Науке нового века - знания молодых: материалы 7-й науч. конф. аспир. и соискат.: сб. науч. тр. - Киров: Вятская ГСХА, 2007. С. 116-119.

5. Романов С.А., Торопов А.Е., Гребенев А.С. Стабильность метаноло-топливных эмульсий // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей внутреннего сгорания: материалы II Всеросс. науч. практ. конф. «Наука - Технология - Ресурсосбережение»: сб. науч. тр. - СПб. - Киров:

Рос. акад. трансп., Вятская ГСХА, 2008. - Вып. 5. - С. 157-160.

6. Романов С.А., Торопов А.Е., Гребенев А.С. Особенности процессов горения и воспламенения метанола // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей внутреннего сгорания:

материалы II Всеросс. науч. практ. конф. «Наука - Технология - Ресурсосбережение»: сб. науч. тр.

- СПб. - Киров: Рос. акад. трансп., Вятская ГСХА, 2008. - Вып. 5. - С. 163-166.

7. Романов С.А. Влияние присадки «Миксент - 2000» на стабильность метаноло-топливных эмульсий // Сб. тр. X Междунар. науч. шк. «Гидродинамика больших скоростей» и Междунар. науч. конф. «Гидродинамика. Механика. Энергетические установки». - Чебоксары: ЧПИ МГОУ, 2008. - С. 723-726.

8. Россохин А.В., Романов С.А. Особенности процессов распыливания, испарения и смесеобразования в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на метаноло-топливной эмульсии // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей внутреннего сгорания: материалы Междунар.

науч. практ. конф. «Наука - Технология - Ресурсосбережение»: сб. науч. тр. - СПб - Киров: Рос.

акад. трансп., Вятская ГСХА, 2009. - Вып. 6. - С. 176-181.

9. Романов С.А. Влияние установочного УОВТ на мощностные и экономические показатели дизеля 4 Ч 11,0/12,5 при работе на спиртосодержащем топливе // Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства: материалы Междунар. науч. практ. конф. «Мосоловские чтения». - Йошкар-Ола: Мар. гос. ун-т., 2009. - Вып.

XI. - С. 238-241.

10. Романов С.А. Влияние УУОВТ на эффективные показатели дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на спиртосодержащем топливе // Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-2009»: материалы V Всерос. науч. техн. конф. - Казань, 2009. - Т.

2. - С. 69-73.

11. Романов С.А. Испарение многокомпонентных топлив // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей внутреннего сгорания: материалы II Междунар. науч.-практ. конф. «Наука - Технология - Ресурсосбережение»: сб. науч. тр. - СПб - Киров: Рос. акад. транс., Вятская ГСХА, 2009. - Вып. 7. - С. 108-114.

12. Романов С.А. Торопов А.Е. Влияние применения метаноло-топливной эмульсии на индикаторные показатели дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения установочного УОВТ // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей внутреннего сгорания: материалы II Междунар. науч. практ. конф. «Наука - Технология - Ресурсосбережение»: сб. науч. тр. - СПб - Киров:

Рос. акад. транс., Вятская ГСХА, - 2009. - Вып. 7. - С. 114-119.

13. 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 Междунар.

науч.-практ. конф. «Наука - Технология - Ресурсосбережение»: сб. науч. тр. - СПб - Киров: Рос.

акад. транс., Вятская ГСХА, 2009. Вып. 7. С. 129-132.

14. Романов С.А. Совмещенные характеристики тепловыделения дизеля 4 Ч 11,0/12,5 при работе на МТЭ на различных установочных УОВТ в зависимости от угла п.к.в. // Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства: материалы Междунар. науч. практ. конф. «Мосоловские чтения». Йошкар-Ола: Мар. гос. ун-т., 2010. - Вып. - XII. - С. 191-193.

15. Романов С.А., Лиханов В.А., Деветьяров Р.Р. Влияние применения метаноло-топливной эмульсии на показатели процесса сгорания и характеристики тепловыделения дизеля 4Ч 11,0/12, в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей внутреннего сгорания: материалы III Междунар. науч. практ. конф. «Наука - Технология - Ресурсосбережение»: сб. науч. тр. - СПб. - Киров: Рос. акад. трансп., Вятская ГСХА, 2010. - Вып. 8. - С. 52-55.

16. Лиханов В.А., Романов С.А. Влияние применения метаноло-топливной эмульсии на показатели процесса сгорания в дизеле 4Ч 11,0/12,5 при различных значениях установочного УОВТ // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей внутреннего сгорания: материалы III Междунар. науч. практ. конф. «Наука - Технология - Ресурсосбережение»: сб. науч. тр. - СПб. Киров: Рос. акад. трансп., Вятская ГСХА, 2010. - Вып. 8. - С. 93-96.

17. Лиханов В.А., Романов С.А. Влияние применения метаноло-топливной эмульсии на характеристики тепловыделения в дизеле 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения нагрузки // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей внутреннего сгорания: материалы III Междунар. науч. практ. конф. «Наука - Технология - Ресурсосбережение»: сб. науч. тр. - СПб. - Киров:

Рос. акад. трансп., Вятская ГСХА, 2010. - Вып. 8. - С. 97-99.

18. Лиханов В.А., Романов С.А. Влияние применения метаноло-топливной эмульсии на показатели процесса сгорания дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения нагрузки // Науке нового века - знания молодых: материалы Всеросс. науч. практич. конф. молод. уч., аспир. и соискат.: сб. науч. тр.: технич. науки. - Киров: Вятская ГСХА, 2010. - Ч. II. - С. 195-200.

Заказ № 106. Подписано к печати 26 апреля 2010 г.

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

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

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