Улучшение эффективных и экологических показателей автотракторных дизелей с наддувом путем подачи водо-метанольных смесей на впуске

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Специальность: 05.04.02 - «Тепловые двигатели»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Улучшение эффективных и экологических показателей автотракторных дизелей с наддувом путем подачи водо-метанольных смесей на впуске

Копаев Егор Владимирович

Санкт - Петербург - Пушкин 2010

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

Научный руководитель:кандидат технических наук, доцент

Горбатенков Александр Иванович

Официальные оппоненты:доктор технических наук, профессор

Ложкин Владимир Николаевич

кандидат технических наук

Рыженков Анатолий Анатольевич

Ведущая организация: Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный

политехнический университет»

Защита диссертации состоится « 28 » января 2011 г. в 15.30 часов на заседании диссертационного совета Д 220. 060. 05 при ФГОУ ВПО «Санкт - Петербургский государственный аграрный университет» по адресу 189620, Санкт - Петербург - Пушкин, Академический проспект, д. 23, ауд. 2.529, факс (812) 465-05-05, e-mail: uchsekr@spbgau.ru

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Санкт - Петербургского государственного аграрного университета и на сайте http://www.spbgau.ru/

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

«23» декабря 2010 г.

Учёный секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор Т.Ю. Салова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На современном этапе развития науки и техники двигатель внутреннего сгорания (ДВС) остается основной энергоустановкой для большинства мобильных и стационарных установок. На их долю приходится порядка 80% всей вырабатываемой в мире механической энергии, при этом ДВС являются одним из основных потребителей моторных нефтяных топлив, которые относятся к невозобновляемым ресурсам. Учитывая тенденции удорожания и увеличения потребления нефтепродуктов при сокращении запасов нефти на земле, особую остроту приобрела проблема традиционных топлив. Кроме того, ДВС являются одним из основных источников загрязнения окружающей среды. В отработавших газах ДВС, выбрасываемых в атмосферу, содержится различные компоненты, многие из которых токсичны (окись углерода, оксиды азота, углеводороды и другие) и создают опасность для здоровья людей и, в частности, по исследованиям онкологов являются причиной возникновения онкологических заболеваний.

Принимая во внимание отмеченные факторы, проблемы экономии традиционных топлив и уменьшения загрязнения атмосферы токсичными веществами, выделяемыми ДВС, приобретают особую остроту и выходят за рамки частной задачи двигателестроения.

Существенного улучшения качества смесеобразования, сгорания, и, в целом, экономии топлив и уменьшения вредных выбросов дизеля, возможно достичь использованием альтернативных топлив и добавок к дизельному топливу. В связи с этим, проблематика улучшения эффективных и экологических показателей автотракторных дизелей с наддувом путем подачи водо-метанольных смесей (ВМС) на впуске является актуальной.

Связь с планами научных исследований. Диссертационная работа выполнена в соответствии с темой № 17 «Улучшение энергетических, экономических, ресурсных и экологических показателей мобильных средств в сельском хозяйстве» плана НИР Тверской ГСХА 2006…2010 гг. (номер гос. регистрации 01.2.007 04619). метанольный смесь дизель

Целью исследований является улучшение эффективных и экологических показателей автотракторных дизелей с наддувом путем подачи ВМС на впуске.

Объект исследований. Дизель 6ЧН 13/11,5 (СМД - 62) жидкостного охлаждения, с тороидальной камерой сгорания в поршне при работе на дизельном топливе с дополнительной подачей ВМС на впуске.

Предмет исследования: мощностные, экономические и экологические показатели работы дизеля 6ЧН 13/11,5 (СМД - 62).

Методы исследования: в работе применяются как теоретические, так и экспериментальные классические методы исследования рабочего процесса, известные и апробированные на практике, а также специально разработанные для решения поставленных задач. Достоверность результатов подтверждается применением современных методов и средств измерений, соблюдением стандартов, периодической проверкой и тарировкой приборов, анализом и контролем погрешностей измерений, а для теоретических исследований - принятием обоснованных исходных данных и общепринятых закономерностей, сопоставлением результатов расчета и эксперимента, согласованием полученных результатов с известными.

Научную новизну работы представляют:

1. Математическая модель расчета параметров рабочего цикла и показателей работы наддувного дизеля с подачей ВМС на впуске.

2. Обоснованные регулировочные параметры системы подачи ВМС на впуске дизеля СМД - 62.

3. Количественные характеристики и закономерности изменения эффективных и экологических показателей дизеля СМД - 62 при работе с подачей ВМС на впуске.

Практическая значимость:

1. Способ работы дизеля и модернизированная система питания дизеля СМД - 62 для реализации рабочего цикла с подачей ВМС на впуске.

2. Обоснованные регулировочные параметры модернизированной системы питания дизеля СМД - 62 с подачей ВМС на впуске.

3. Рекомендации по применению ВМС в качестве альтернативной топливной добавки при подаче на впуске дизеля СМД - 62.

Реализация результатов исследований. Техническое описание модернизированного макетного образца системы впуска дизеля СМД - 62 передано в ЗАО «Научный инженерно-технический центр» (ЗАО «НИТЦентр») с целью создания конструкторской документации.

Материалы исследований используются в учебном процессе на кафедре «Тракторы и автомобили» и «Техническая эксплуатация автомобилей» Тверской ГСХА при подготовке студентов по специальности 110301 и 190601.

Апробация результатов работы. Основные результаты и материалы диссертации докладывались и обсуждались на Международных научных конференциях Тверской ГСХА 2006…2010 г., на Международных научно-практических конференциях «Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей» 2008, 2009 СПбГАУ, г. Санкт - Петербург - Пушкин, на II Всероссийской научно-практической конференции «Наука-Технология-Ресурсосбережение» 2008 г. Вятская ГСХА, г. Киров.

Публикации результатов исследований. Основные положения диссертационной работы изложены в 8 печатных работах, в. т. числе одна в издании, указанном в «Перечне … ВАК Минобразования и науки РФ». Получен патент РФ на изобретение № 2338077.

Основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту:

1. Расчётно-теоретическая модель параметров рабочего цикла и показателей работы дизеля с подачей ВМС на впуске.

2. Способ работы и модернизированная система питания дизеля СМД - 62 для реализации рабочего цикла с подачей ВМС на впуске.

3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния подачи ВМС на впуске на эффективные и экологические показатели дизеля, обоснованные регулировочные параметры модернизированной системы питания дизеля СМД - 62 с подачей ВМС на впуске.

4. Рекомендации по применению ВМС в качестве моторного топлива при подаче на впуске дизеля СМД - 62.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, общих выводов и 7 приложений. Работа изложена на 155 страницах основного текста, включает 85 рисунков, 5 таблиц, содержит список литературы из 96 наименований, в том числе 6 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, изложены основные положения и результаты исследований, выносимые на защиту.

В первом разделе проведён анализ работ выполненных по тематике рассматриваемой проблемы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований по применению альтернативных топлив и добавок к нефтяным топливам отражены в работах Абрамова С.А., Азева В.С., Алексеева Д.Г., Алейникова Ю.П., Арсенова Е.Е., Балакина В.И., Гладких В.А., Гущина С.Н., Данилова А.М., Емельянова В.Е., Звонова В.А., Зуева А.А., Капустина А.А., Ксенофонтова И.В., Лебедева С.Р., Лернера М.О., Лиханова В.А., Луканина В.М, Ложкина В.Н., Луневой В.В., Лукшо В.А., Льотко В., Малова Р.В., Махова В.З., Николаенко А.В., Попова В.М., Ратьковой М.Ю., Саловой Т.Ю., Смаля В.Ф., Терентьева Г.А., Тюкова В.М., Хачияна А.С. и других.

На основании анализа современных исследований по применению альтернативных топлив и добавок к дизельному топливу установлено, что их использование получает все большее распространение, решая задачи улучшения эффективных, экологических и экономических показателей и вопросы по частичному или полному замещению дизельного топлива. Для двигателей в качестве перспективных добавок к традиционному топливу нефтяного происхождения также рассматриваются метанол и вода. Метанол является спиртовым топливом и уступает нефтяным топливам по теплосодержанию. При этом спиртовые топлива имеют важное преимущество - относятся к категории возобновляемых ресурсов и при их использовании имеется возможность замещения дизельного топлива (ДТ). Вода при использовании в двигателях оказывает значительное влияние на экологические показатели. Анализ способов подачи воды и метанола позволяет сделать вывод, что одним из перспективных способов является их подача в жидком виде во впускной тракт двигателя. При этом не требуется внесение значительных конструкционных изменений в двигатель. Эффект от данного способа возрастает при его применении для испарительного охлаждения наддувочного воздуха. Вместе с тем, вопросы совместного влияния метанола и воды при использовании ВМС на рабочие процессы дизеля изучены недостаточно. Таким образом, исследования эксплуатационных показателей автотракторных дизелей с наддувом при подаче ВМС на впуске являются перспективным научным направлением, требующим дальнейшего изучения.

В связи с этим, целью настоящих исследований является улучшение эффективных и экологических показателей автотракторных дизелей с наддувом путём подачи водо-метанольных смесей на впуске.

На основании поставленной цели сформулированы следующие задачи исследований:

разработать способ работы дизеля и модернизировать систему питания для организации рабочего процесса дизеля с наддувом при подаче ВМС на впуске;

разработать методику и математическую модель расчёта параметров рабочего цикла и показателей работы дизеля с подачей ВМС на впуске;

провести расчётно-теоретический анализ параметров рабочего цикла и показателей работы дизеля с подачей ВМС на впуске, обосновать регулировочные параметры системы для подачи ВМС;

разработать методику экспериментальных исследований дизеля и сформировать экспериментальную моторную установку;

выполнить стендовые моторные исследования параметров рабочего цикла, эффективных показателей работы и показателей токсичности отработавших газов (ОГ) дизеля при подаче ВМС на впуске и уточнить регулировочные параметры подачи ВМС на впуске;

разработать рекомендации по применению ВМС в качестве моторного топлива при подаче на впуске дизеля СМД - 62;

оценить технико-экономическую эффективность дизеля с подачей ВМС на впуске.

Во втором разделе представлен способ работы дизеля с подачей ВМС на впуске, приведена методика расчета количества подаваемых во впускной тракт ВМС, математическая модель и результаты расчёта параметров рабочего цикла и показателей работы дизеля с подачей ВМС.

На рисунке 1 представлена упрощенная схема предлагаемого способа организации работы дизеля с подачей ВМС на впуске.

Во впускной тракт перед турбокомпрессором установлена пневматическая форсунка. Подача и регулирование расхода ВМС производится устройством для подачи ВМС. Распыливание ВМС осуществляется форсункой с помощью сжатого воздуха, подаваемого штатным компрессором. На нагрев и испарение ВМС затрачивается часть теплоты наддувочного воздуха, в результате чего снижается его температура и увеличивается плотность свежего заряда на впуске, что создаёт предпосылки для улучшения эффективных показателей и уменьшения выбросов вредных веществ с ОГ и возможность замещения ДТ метанолом, входящим в состав ВМС.

Рисунок 1 - Схема организации работы дизеля при подаче ВМС на впуске

Особенностями расчёта рабочего цикла дизеля с подачей ВМС на впуске являются то, что: во-первых - часть теплоты наддувочного воздуха расходуется на нагрев и испарение ВМС, во-вторых - непосредственное участие метанола, содержащегося в ВМС, в процессе сгорания. Свежий заряд, представляющий собой смесь воздуха, водяного пара и паров метанола при невысоких давлениях без особой погрешности можно рассматривать как идеальные газы. В этом случае к ним применимы закономерности, сформулированные для смеси идеальных газов. При подаче ВМС на впуске происходит снижение температуры наддувочного воздуха, вследствие затрат тепла на нагрев и испарение ВМС. В идеальном случае энтальпия воздуха (h), затраченная на испарение ВМС, полностью возвращается с парами ВМС в воздух, поэтому процесс можно рассматривать при условии h=const. Температура воздуха при подаче ВМС на впуске определяется с использованием следующих выражений.

Уравнение смешения воздуха с парами ВМС может быть выражено

, (1)

где и - массовая доля паров ВМС и воздуха в смеси;

и - энтальпия ВМС до и после смешения, кДж/кг;

и - энтальпия воздуха до и после смешения, кДж/кг.

Так как разность энтальпий воздуха до и после смешения

,(2)

то температура охлажденного воздуха определяется

, К,(3)

где - средняя удельная теплоёмкость воздуха при постоянном давлении, кДж/(кг?К).

При условии полного испарения ВМС и образования перегретого пара разность энтальпий паров ВМС и жидких ВМС можно представить в виде

,(4)

где и - температура впрыскиваемых ВМС, и температура насыщения парами ВМС в свежем заряде, К;

- теплота парообразования ВМС, кДж/кг;

и - средние удельные теплоёмкости жидких ВМС и паров ВМС при постоянном давлении, кДж/(кг?К).

В данной формуле первое слагаемое представляет количество теплоты, затрачиваемое на нагрев впрыснутых ВМС, второе - количество теплоты, затрачиваемое на парообразование, третье - количество теплоты, затрачиваемое на перегрев пара. Поскольку и << r, то в небольшом интервале изменения температур первым и последним слагаемым можно пренебречь.

В результате температура охлажденного воздуха определяется выражением

, К,(5)

где: - удельная теплота парообразования ВМС, кДж/кг;

, кДж/кг(6)

где К - концентрация метанола в ВМС, ;

- удельная теплота парообразования метанола, кДж/кг;

- удельная теплота парообразования воды, кДж/кг.

Следует отметить, что теплоёмкость воздуха и скрытая теплота парообразования не являются постоянными величинами, но в небольшом интервале температур их изменением также можно пренебречь.

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания рабочей смеси в цилиндре двигателя, содержащей 1 кг ДТ и ш метанола, содержащегося в ВМС К-ой концентрации определяется

, кг ,(7)

где ш - отношение подачи ВМС к ДТ

,(8)

, и - суммарная доля углерода, водорода и кислорода в дизельном топливе;

, и - суммарная доля углерода, водорода и кислорода в метаноле;

GВМС, GДТ - подача, соответственно ВМС и ДТ, кг/ч.

Количество свежего заряда определяется по формуле:

, кмоль(9)

где - коэффициент избытка воздуха;

- молярная масса ВМС, кг.

Общее количество продуктов сгорания рассчитывается:

, кмоль(10)

где - количество воды поступающей на впуске, кмоль.

Полная удельная использованная теплота сгорания

, кДж/кг(11)

где - коэффициент использования теплоты;

- низшая теплота сгорания дизельного топлива, кДж/кг;

- низшая теплота сгорания метанола, кДж/кг;

г - коэффициент остаточных газов.

Энергетический удельный расход топлив определяется

, МДж/(кВт?ч)(12)

где Ne - эффективная мощность, кВт.

Далее тепловой расчёт параметров рабочего цикла производится согласно известной методике с расчетом процесса сгорания с учетом динамики выгорания топлив.

Расчет проведен на частичном режиме работы (0,9 Neном) дизеля СМД-62 при форсировании дизеля подачей ВМС на впуске концентрацией 0,3 (30% метанола), концентрацией 0,6 (60% метанола) и концентрацией 0,9 (90% метанола), а также при частичном замещении дизельного топлива подаваемыми ВМС на впуске концентрациями 0,6 и 0,9. Результаты расчета параметров впуска показывают, что температура наддувочного воздуха снижается при увеличении подачи ВМС. При этом из условия полного испарения ВМС во впускном тракте дизеля максимальная подача смеси концентрацией 0,3 составляет 20 кг/ч, концентрацией 0,6 - 26 кг/ч, концентрацией 0,9 максимальная подача составляет 43 кг/ч. При этом подачу ВМС концентрацией 0,9 ограничивает возрастание жесткости работы дизеля в количестве 25 кг/ч. Максимальное снижение температуры составляет при подаче ВМС в количестве 20 кг/ч концентрацией 0,3 - 45 К, при подаче 26 кг/ч концентрацией 0,6 -50 К, при подаче 25 кг/ч концентрацией 0,9 - 38 К. В связи со снижением температуры наддувочного воздуха при подаче ВМС при форсировании по сравнению со штатным циклом возрастает плотность заряда на впуске в среднем на 10%. При частичном замещении дизельного топлива увеличение плотности свежего заряда на впуске составляет в среднем 12%. Вследствие роста плотности заряда несколько увеличиваются гидравлические потери во впускном тракте, что вызывает незначительное уменьшение коэффициента наполнения в данных условиях. В результате снижения температуры наддувочного воздуха уменьшается тепловая нагрузка на детали двигателя и создаются условия уменьшения выбросов оксидов азота с отработавшими газами.

В связи с тем, что метанол, входящий в состав ВМС, является топливом и участвует в процессе сгорания, происходит увеличение площади индикаторной диаграммы цикла с подачей ВМС по сравнению со штатным циклом, что обеспечивает увеличение работы цикла и форсирование двигателя.

На рисунке 2 представлено изменение эффективных показателей дизеля СМД- 62 при форсировании. При увеличении подачи и концентрации метанола в ВМС на впуске происходит улучшение эффективных показателей. Так, эффективная мощность по сравнению со штатным циклом при подаче ВМС на впуске в количестве 17,7 кг/ч концентрацией 0,3 возрастает на 13% (на 14,4 кВт), при подаче 25,6 кг/ч концентрацией 0,6 - на 22% (на 24,5 кВт), при подаче 25 кг/ч концентрацией 0,9 - на 28% (на 30 кВт) вследствие увеличения общего количества топлива участвующего в процессе сгорания.

Удельный энергетический расход топлив при подаче ВМС в количестве 17,7 кг/ч концентрацией 0,3 снижается на 1,3 % (0,14 мДж/(кВт?ч)), при подаче 25,6 кг/ч концентрацией 0,6 - на 6,5 % (0,71 мДж/(кВт?ч)), при подаче 25 кг/ч концентрацией 0,9 - на 12,7 % (1,39 мДж/(кВт?ч)).

На рисунке 3 представлено изменение эффективных показателей дизеля при частичном замещении дизельного топлива ВМС при условии соответствия эффективной мощности уровню штатного цикла. Так, при частичном замещении дизельного топлива подаваемыми ВМС с сохранением эффективной мощности на уровне штатного цикла часовой расход дизельного топлива при подаче ВМС в количестве 25,6 кг/ч концентрацией 0,6 снижается на 11% (3,1 кг/ч), при подаче 25 кг/ч концентрацией 0,9 - на 28,1 % (8 кг/ч). Удельный энергетический расход топлив при подаче ВМС в количестве 25,6 кг/ч концентрацией 0,6 увеличивается на 13,8 %, при подаче 25 кг/ч концентрацией 0,9 - на 12 % вследствие снижения доли высококалорийного топлива участвующего в процессе сгорания и увеличения количества метанола подаваемого с ВМС.

Анализ результатов расчета теплового баланса показывает, что в цикле с подачей ВМС увеличиваются все составляющие теплового баланса, но в процентном соотношении остаются на уровне штатного цикла.

Расчетно-теоретический анализ износостойкости ЦПГ дизеля с подачей ВМС на впуске показал незначительное увеличение износа при форсировании дизеля и отсутствие интенсификации износа при частичном замещении дизельного топлива ВМС.

Таким образом, при форсировании достигается увеличение мощности дизеля на 30,8 кВт (на 28%), при частичном замещении дизельного топлива ВМС - снижение расхода дизельного топлива на 8 кг/ч (28,1 %) при создании условий снижения выбросов оксидов азота.

В третьем разделе приведены общая и частные методики экспериментальных исследований, даны описания экспериментальной установки, применяемой аппаратуры и разработанного устройства для подачи ВМС.

Экспериментальная установка представляет собой комплекс, который включает дизель СМД - 62, обкаточно-тормозной стенд КИ - 5540М, контрольно-измерительные приборы (электронный термометр Ш 4501, барометр М 110, микроманометр МН - 240, газоанализатор «АВТОТЕСТ - 02 СО - СО2 - СН - О2 - NОХ - - Т», дымомер ИНФРАКАР-Д и др.) , комплект приборов «Мива-С», оборудование для индицирования (модуль АЦП-ЦАП 16/16 «Sigma USB», датчик давления газа ДДГ 160/600). Дизель оборудован системой подачи ВМС во впускной трубопровод, состоящей из емкости для хранения ВМС, устройства для замера расхода ВМС, устройства для подачи ВМС и регулировки его количества, пневматической форсунки, компрессора, трубопроводов. Определение основных показателей дизеля проводится в соответствии с требованиями ГОСТ 18509-88.

Методика предусматривает проведение сравнительных лабораторно-стендовых исследований показателей работы и токсичности ОГ дизеля в три этапа.

Первый этап. Экспериментальные исследования работы дизеля при подаче ВМС во впускной тракт дизеля при штатных регулировках топливной аппаратуры. На данном этапе исследуется влияние подачи ВМС на параметры и показатели работы дизеля при постоянных частоте вращения коленчатого вала и положении рычага управления регулятором ТНВД, проводится определение рациональных регулировочных параметров подачи ВМС для дальнейших этапов. Исследования проводятся на режимах 0,9 Neном и 0,4 Neном работы дизеля. Изменяемыми параметрами являются количество и концентрация подаваемых ВМС. Ограничивающими факторами при подаче ВМС является жесткость работы дизеля, условие полного испарения ВМС во впускном тракте и температурный режим дизеля.

Второй этап. Исследование работы дизеля при подаче ВМС на впуске в условиях нагрузочной характеристики. Целью исследований на данном этапе является форсирование дизеля по среднему эффективному давлению при подаче ВМС на впуске с установленными регулировочными параметрами, при которых достигается наибольший эффект испарительного охлаждения наддувочного воздуха. Изменяемым параметром в ходе эксперимента является цикловая подача дизельного топлива при постоянных частоте коленчатого вала, количестве и концентрации ВМС. Ограничительным параметром является температура отработавших газов, характеризующая теплонапряжённость деталей цилиндропоршневой группы.

Третий этап. Исследования по замещению дизельного топлива в рабочем цикле подаваемыми на впуске ВМС при постоянной эффективной мощности, соответствующей уровню штатного цикла, и оценка полученных параметров и показателей работы дизеля. Изменяемыми параметрами являются количество подаваемых дизельного топлива и ВМС, а также концентрация смеси. Ограничительными факторами являются температурный режим и жесткость работы дизеля.

В четвёртом разделе приведены результаты экспериментальных исследований.

Результаты первого этапа исследований работы дизеля в условиях регуляторной характеристики при подаче ВМС на впуске представлены на рисунках 4, 5.

Диаграммы давления в цилиндре (рисунок 4), полученные в ходе индицирования дизеля, ограничивают по жесткости рабочего цикла подачу концентрацией 0,9 в количестве 19 кг/ч. Увеличение жесткости работы дизеля при подаче ВМС концентрацией 0,3 и 0,6 находится в пределах, характеризующих нормальную работу двигателя. Рост жесткости работы дизеля объясняется высокой скоростью сгорания метанола при воспламенении дизельного топлива. Отмечается увеличение максимального давления в конце сгорания по сравнению со штатным циклом, так, например, при максимальной подаче ВМС концентрацией 0,3 в количестве 15 кг/ч, рост составляет 0,68 МПа.

При подаче ВМС концентрацией 0,3 в количестве 15 кг/ч происходит рост эффективной мощности на 7% (рисунок 5). При этом, снижаются следующие показатели: температура наддувочного воздуха на 10 0С, удельный эффективный расход дизельного топлива на 8,5%, часовой расход дизельного топлива на 1,6%, удельный энергетический расход топлив на 3,3%, содержание оксидов азота на 14,8%. Температура отработавших газов остается на уровне штатного цикла. Возрастает дымность ОГ на 0,8 м-1 и содержания СО на 0,2%.

При подаче ВМС концентрацией 0,6 в количестве 25 кг/ч происходит рост эффективной мощности на 18%. При этом, снижаются следующие показатели: температура наддувочного воздуха на 9 0С, удельный эффективный расход дизельного топлива на 21,3%, часовой расход дизельного топлива на 6,1%, удельный энергетический расход топлив на 4,2%, дымность ОГ 0,3 м-1. Содержание оксидов азота и температура отработавших газов остается на уровне штатного цикла. Возрастает содержания СО на 0,2%.

При подаче ВМС концентрацией 0,9 в количестве 25 кг/ч происходит рост эффективной мощности на 20,9%. При этом, снижаются следующие показатели: удельный эффективный расход дизельного топлива при подаче 17,6 кг/ч концентрацией 0,9 - на 26,2%, при подаче 25 кг/ч концентрацией 0,9 на 21,3%, часовой расход дизельного топлива при подаче 17,6 кг/ч концентрацией 0,9 - на 11,3%, при подаче 25 кг/ч концентрацией 0,9 - на 6,1%, удельный энергетический расход топлив при подаче 17,6 кг/ч концентрацией 0,9 на 6,7% и при подаче 25 кг/ч увеличивается до 12,2 МДж/(кВт?ч) на 1,7%, дымность ОГ на

0,5 м-1. Возрастает температура отработавших газов на 25 0С, содержание оксидов азота в ОГ на 18,2% и содержание СО на 0,25%.

По результатам данных исследований можно сделать вывод, что наибольший эффект от испарительного охлаждения наддувочного воздуха достигается при подаче ВМС концентрацией 0,3 и данный режим работы дизеля является наиболее целесообразным для форсирования дизеля по среднему эффективному давлению путем увеличения цикловой подачи дизельного топлива. При этом, ограничением подачи ВМС является полное испарение компонентов ВМС во впускном тракте дизеля, величина которой зависит от давления наддувочного воздуха. Для обеспечения испарения подаваемой ВМС во всем диапазоне изменения давления наддувочного воздуха в условиях нагрузочной характеристики величина подачи ВМС составляет 10 кг/ч.

При подаче ВМС концентрацией 0,6 и концентрацией 0,9 отмечается наибольшее улучшение экономических показателей, что определяет целесообразность их применения в исследованиях по частичному замещению дизельного топлива. При этом подача ВМС концентрацией 0,6 ограничивается в количестве 25 кг/ч, характеризующая полное испарение ВМС концентрацией 0,6 во впускном тракте дизеля. При замещении дизельного топлива ВМС концентрацией 0,9 ограничением подачи ВМС выступает жесткость работы дизеля, которая при подаче более 19 кг/ч превышает установленные предельные значения. С целью предотвращения превышения предельных динамических нагрузок на детали цилиндропоршневой группы исследования по частичному замещению дизельного топлива проводятся на режиме 0,7 Neном.

Результаты второго этапа исследований работы дизеля в условиях нагрузочной характеристики при подаче ВМС на впуске представлены на рисунках 6, 7.

При оценке динамики изменения параметров рабочего цикла дизеля (рисунок 6) отмечается незначительный рост максимального давления сгорания при подаче ВМС в количестве 10 кг/ч концентрацией 0,3 по сравнению со штатным циклом в диапазоне нагрузок Ре=0,3 … 0,67 МПа, что вызвано увеличением общего количества топлива, участвующего в сгорании. Температура сгорания при работе дизеля в условиях нагрузочной характеристики с подачей ВМС возрастает более плавно, чем при работе дизеля при подаче ВМС на впуске, вследствие эффекта испарительного охлаждения наддувочного воздуха, что обеспечивает возможность форсировать дизель по среднему эффективному давлению на 19 % (рост среднего эффективного давления на 0,13 МПа) увеличением цикловой подачи дизельного топлива.

При подаче ВМС по сравнению со штатным циклом происходит снижение следующих показателей (рисунок 7): температуры наддувочного воздуха в среднем на 12 0С, часового расхода дизельного топлива на 5,4 кг/ч (18%), удельного эффективного расхода дизельного топлива на 87 г/(кВт?ч) и удельного энергетического расхода топлив - на 0,2 МДж/(кВт?ч), температуры отработавших газов на 48-122 0С, содержания оксидов азота в ОГ дизеля на 1000 ppm, дымности ОГ на 0,5 м-1. Содержание СО в ОГ при подаче ВМС на впуске при изменении среднего эффективного давления 0,3 - 0,67 МПа остается на уровне штатного цикла. Таким образом, результаты проведенных исследований показывают возможность форсирования дизеля при подаче ВМС по среднему эффективному давлению на 19%.

Результаты исследований при определении максимально возможного замещения дизельного топлива ВМС представлены на рисунках 8, 9.

В цикле с частичным замещением (рисунок 8) дизельного топлива ВМС концентрацией 0,6 и 0,9 отмечается: увеличение максимального давления сгорания на 24 % и 11 % соответственно; смещение точки максимального давления к ВМТ на 3 град ПКВ, что объясняется участием метанола, содержащегося в ВМС, в процессе сгорания; снижение максимальной температуры цикла на 130 К и 80 К соответственно, что создает условия уменьшения выбросов оксидов азота с отработавшими газами.

При определении максимально возможного замещения дизельного топлива ВМС получены зависимости изменения показателей работы дизеля при подаче ВМС концентрациями 0,6 и 0,9 (рисунок 9). Максимальная подача ВМС концентрацией 0,6 ограничивалась в количестве 25 кг/ч, концентрацией 0,9 в количестве 19 кг/ч. При этом динамика показателей следующая. При подаче ВМС концентрацией 0,6 по сравнению с работой дизеля по штатному циклу (рисунок 9 а) уменьшились значения следующих показателей: температура наддувочного воздуха на 26 0С (22 %), часовой расход дизельного топлива на 5,7 кг/ч (17%), удельный эффективный расход дизельного топлива на 48 г/(кВт?ч) (17%), содержание оксидов азота в ОГ дизеля на 55%. Незначительно возрасли: удельный энергетический расход топлива на 0,2 МДж/(кВт?ч) (2 %), дымность ОГ на 0,9 м-1. Температура ОГ и содержание СО остается на уровне штатного цикла.

При подаче ВМС концентрацией 0,9 по сравнению с работой дизеля по штатному циклу (рисунок 9 б) уменьшились значения следующих показателей: температура наддувочного воздуха на 19 0С (18%), часовой расход дизельного топлива на 9,3 кг/ч (38,6%), удельный эффективный расход дизельного топлива на 105 г/(кВт?ч) (38,6%), удельный энергетический расхода топлив - на 0,5 МДж/(кВт?ч) (2,2%), дымность ОГ в 5 раз. Температура ОГ, содержание оксидов азота и СО в ОГ, коэффициент избытка воздуха остаются на уровне штатного цикла.

Таким образом, результаты проведенных исследований показывают частичное замещение дизельного топлива ВМС концентрацией 0,6 и 0,9 в рабочем цикле дизеля на 17 и 38,6 % соответственно, при уровне динамических нагрузок, соответствующих штатному циклу.

В пятом разделе на основании комплексного анализа показателей работы и токсичности отработавших газов дизеля с подачей ВМС на впуске установлены рекомендуемые регулировочные зависимости подачи ВМС с целью максимально возможной экономии ДТ. Величина подачи ВМС при частичном замещении ДТ описывается уравнениями

- при подаче ВМС концентрацией 0,6 (26,8 Х 32,8)

Y = 23,898?X -0,4714?X2 - 276,38(13)

- при подаче ВМС концентрацией 0,9 (15,6 Х 25,4)

Y = 0,0195?X2 - 2,7877?X + 58,314(14)

где X - подача дизельного топлива, кг/ч;

Y - подача ВМС, кг/ч.

Наличие зависимости подачи ВМС на впуске позволяет дальнейшие исследования направить на автоматизацию подачи ВМС в зависимости от режима работы дизеля, путем организации электронного управления впрыска ВМС.

В шестом разделе рассчитана экономическая эффективность трактора Т-150К при организации рабочего цикла дизеля СМД - 62 с подачей ВМС на впуске.

Годовой экономический эффект при эксплуатации трактора Т-150К оснащенного системой подачи ВМС на впуске при форсировании дизеля подачей ВМС концентрацией 0,3 - 6616 рублей, при замещении дизельного топлива ВМС концентрацией 0,6 - 13680 рублей, концентрацией 0,9 - 134280 рублей (в ценах 2010 г.).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Использованием в рабочем цикле альтернативных топливных добавок совместно с традиционными топливами решают вопросы экономии топлив нефтяного происхождения, улучшения эффективных показателей и снижения токсичности отработавших газов двигателей. Анализ способов подачи воды и метанола позволяет сделать вывод, что одним из перспективных способов их использования является подача в жидком виде во впускной тракт двигателя, не требующая внесения значительных конструктивных изменений в двигатель. При этом, совместное влияние метанола и воды при подаче в виде смеси на впуске на рабочие процессы дизеля изучено недостаточно.

2. Разработанные методика и математическая модель расчета параметров рабочего цикла учитывают особенности работы дизеля с подачей ВМС на впуске. Выполненные теоретические исследования позволили установить рациональные регулировочные параметры подачи ВМС, при которых создаются условия для улучшения эффективных и экологических показателей. Так при подаче ВМС на впуске в количестве 17,7 кг/ч концентрацией 0,3 эффективная мощность возрастает на 13%, при подаче 25,6 кг/ч концентрацией 0,6 - на 22%, при подаче 25 кг/ч концентрацией 0,9 - на 28%.

3. Разработанные общая и частная методики экспериментальных исследований, система подачи ВМС на впуске и сформированная экспериментальная установка, позволяют получить достоверные результаты. На основании проведённых экспериментальных исследований установлены следующие количественные характеристики и зависимости изменения эффективных показателей и токсичности отработавших газов при работе дизеля СМД - 62 с подачей ВМС на впуске:

- при исследованиях в условиях нагрузочной характеристики при подаче ВМС на впуске концентрацией 0,3 в количестве 10 кг/ч выявлена возможность форсирования дизеля по среднему эффективному давлению на 19% увеличением цикловой подачи дизельного топлива. При этом отмечается снижение следующих показателей: температуры наддувочного воздуха в среднем на 12 0С, часового расхода дизельного топлива на 5,4 кг/ч (18%), удельного эффективного расхода дизельного топлива на 87 г/(кВт?ч) и удельного энергетического расхода топлив - на 0,2 МДж/(кВт?ч), температуры отработавших газов на 48-122 0С, содержания оксидов азота в ОГ дизеля на 1000 ppm, дымности ОГ на 0,5 м-1. Содержание СО в ОГ при подаче ВМС на впуске остается на уровне штатного цикла;

- при частичном замещении дизельного топлива подачей ВМС на впуске в количестве 25 кг/ч концентрацией 0,6 по сравнению с работой дизеля по штатному циклу уменьшились значения следующих показателей: температура наддувочного воздуха на 26 0С (22 %), часовой расход дизельного топлива на 5,7 кг/ч (17%), удельный эффективный расход дизельного топлива на 48 г/(кВт?ч) (17%), содержание оксидов азота в ОГ дизеля на 55%. Незначительно выросли: удельный энергетический расход топлива на 0,2 МДж/(кВт?ч) (2 %), дымность ОГ на 0,9 м-1. Температура ОГ и содержание СО остается на уровне штатного цикла. При подаче ВМС в количестве 19 кг/ч концентрацией 0,9 по сравнению с работой дизеля по штатному циклу уменьшились значения следующих показателей: температура наддувочного воздуха на 19 0С (18%), часовой расход дизельного топлива на 9,3 кг/ч (38,6%), удельный эффективный расход дизельного топлива на 105 г/(кВт?ч) (38,6%), удельный энергетический расхода топлив - на 0,5 МДж/(кВт?ч) (2,2%), дымность ОГ в 5 раз. Температура ОГ, содержание оксидов азота и СО в ОГ остаются на уровне штатного цикла.

4. В результате выполненных теоретических и экспериментальных исследований создан макетный образец наддувного дизеля СМД-62 с модернизированной системой питания для подачи ВМС на впуске. При реализации работы дизеля с модернизированной системой питания при подаче ВМС на впуске достигнуто форсирование дизеля по среднему эффективному давлению на 19 %, замещение дизельного топлива на 38,6%, снижение содержания оксидов азота в ОГ дизеля на 55% и дымности ОГ в 5 раз

5. На основании анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований установлены рекомендуемые регулировочные зависимости подачи и концентрации ВМС, аналитически описываемые уравнениями полином второго порядка.

6. Годовой экономический эффект при эксплуатации трактора Т-150К оснащенного системой подачи ВМС на впуске при форсировании дизеля составляет 6616 руб., при замещении дизельного топлива ВМС концентрацией 0,6 - 13680 руб., концентрацией 0,9 - 134280 руб. (в ценах 2010г.).

7. Результаты экспериментальных исследований подтверждают теоретические предпосылки. Максимальное расхождение установлено по часовому расходу дизельного топлива и составляет 8 %. Данное расхождение объясняется сложностью аналитического расчета интенсификации процесса горения дизельного топлива в присутствии метанола, содержащегося в ВМС.

8. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе кафедр «Тракторы и автомобили», «Техническая эксплуатация автомобилей» Тверской ГСХА при подготовке студентов по специальности 110301 и 190601. Техническое описание модернизированной системы питания дизеля СМД - 62 передано в ЗАО «Научный инженерно-технический центр» с целью создания конструкторской документации.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Копаев Е.В. Эффективность дизеля можно повысить. / Е.В. Копаев, А.И. Горбатенков // Сельский механизатор, - 2009, №1, с. 31.

Публикации в описаниях на изобретение, сборниках научных трудов и

материалах конференций

2. Патент № 2338077 РФ, МПК8 F02 B 47/04, Способ работы двигателей внутреннего сгорания и устройство для его осуществления. / А.И. Горбатенков, Е.В. Копаев; заявл. 13.02.2007. - №2007105193/06; Опубл. 10.11.2008 Бюл. №31.

3. Горбатенков, А.И.Анализ способов работы ДВС с использованием метанола и его водных растворов / А.И. Горбатенков, Е.В. Копаев //Научное обеспечение национального проекта «Развитие АПК». Матер. междунар. прак. конф. 6-8 июня 2006 г. - Тверь: ТГСХА, 2006. - с. 253-256.

4. Горбатенков, А.И. Расчетно-теоретическая модель параметров процесса впуска дизеля СМД-62 при подаче водометанольных смесей / А.И. Горбатенков, Е.В. Копаев // Стабилизация производства и развитие агропромышленного комплекса региона на основе внедрения инновационных технологий. Матер. международ. научно-практ. конф. 13-15 июня 2007 г. - Тверь: ТГСХА, 2007. - с. 206-209.

5. Горбатенков, А.И. Экспериментальная установка и методика экспериментальных исследований влияния подачи водометанольных смесей на впуске на показатели работы дизеля СМД-62 / А.И. Горбатенков, Е.В. Копаев // Стабилизация производства и развитие агропромышленного комплекса региона на основе внедрения инновационных технологий. Матер. международ. научно-практ. конф. 13-15 июня 2007 г. - Тверь: ТГСХА, 2007. - с. 209-211.

6. Горбатенков, А.И. Расчетно-теоретический анализ параметров свежего заряда дизеля СМД-62 при подаче водометанольных смесей на впуске / А.И. Горбатенков, Е.В. Копаев // Проблемы энергообеспечения предприятий АПК и сельских территорий. Сб. науч. тр., СПбГАУ - 2008 г., с. 173-176.

7. Горбатенков, А.И. Расчетно-теоретический анализ параметров рабочего цикла и показателей работы дизеля СМД-62 с испарительным охлаждением наддувочного воздуха при подаче воднометанольных смесей на впуске. / А.И. Горбатенков, Е.В. Копаев // Матер. II Всероссийской науч.-практ. конф. «Наука-Технология-Ресурсосбережение»: Сб. науч. тр. - С.-Пб - Киров: Российская Академия транспорта - Вятская ГСХА, 2008 г., с. 58-64

8. Копаев Е.В. Результаты обработки индикаторных диаграмм рабочего процесса дизеля СМД-62 при замещении дизельного топлива подаваемыми на впуске водометанольными смесями/ Е.В. Копаев // Современные технологии агропромышленного производства. Сб. науч. тр. по матер. Междунар. науч.-практич. конф. 2-4 июня 2009 г, часть II. - Тверь: «Агросфера» Тверской ГСХА, 2009 г., с. 60-64.

9. Копаев Е.В. Результаты обработки индикаторных диаграмм работы дизеля СМД-62 при подаче ВМС в условиях нагрузочной характеристики / Е.В. Копаев, А.И. Горбатенков // Инновационные технологии как основа развития аграрного образования и АПК региона. Сб. науч. тр. по матер. Междунар. науч.-практич. конф. 1-3 июня 2010 г, книга II. Тверь: «Агросфера» Тверской ГСХА, 2010 г., с. 70-73

Размещено на Allbest.ru