автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Основы теории и практика использования альтернативных топлив в дизелях

ВВЕДЕНИЕ

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ ОБЗОРНЫЙ АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ТОПЛИВ В ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

1.1. Использование водорода в ДВС

1.2. Использование азотноводородных топлив в ДВС

1.3. Использование углеводородного топлива в смеси со спиртами

1.4. Использование синтетических жидких топлив в дизелях

1.5. Выводы по главе. Цели и задачи исследования

2. РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ТОПЛИВ В ДИЗЕЛЯХ

2.1. Методика и апйаратура для использования альтернативных топлив

2.2. Описание экспериментальной установки. Методика эксперимента и обработка опытных данных

2.3. Система автоматического сбора информации и методика оптического индицирования цилиндра дизеля, как метод исследования внутрицилиндровых процессов

2.4. Измерение концентрации сажи в цилиндре дизеля

2.5. Погрешности измерений концентрации сажи оптическим методом

2.6. Измерение температуры пламени'в цилиндре двигателя

2.7. Погрешности измерений температуры пламени в цилиндре

2.8. Расчет мгновенных полей температур пламени и массовой концентрации "частиц сажи в цилиндре дизеля

2.9. Выводы и методические рекомендации

3. ОСНОВЫ ТЕОРИИ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ТОПЛИВ

3.1. Теоретические основы растворения газа в дизельном топливе

3.2. Физико-химическая модель растворения газа в дизельном топливе

3.2.1. Диффузия газа в неподвижной жидкости

3.2.2. Растворение газа в конвективном потоке жидкости

3.2.3. Хемосорбция газа

3.2.4. Экспериментально-расчетное исследование процесса насыщения дизельного топлива водородом и аммиаком

3.2.5. Проникновение водорода через металлические детали системы подачи водорода в топливную систему дизеля

3.3. Физико-химические основы растворения этанола в дизельном топливе

3.4. Моделирование процесса растворения этанола при помощи высших спиртов в дизельном топливе

3.4.1. Физико-химическая модель взаимодействия спиртов и дизельного топлива

3.4.2. Математическая модель растворения UNIFAC

3.4.3. Исследование расчетных и экспериментальных характеристик смес,евых топлив

3.5. Физико-химические свойства синтезированных смесевых топлив

3.6. Выводы по главе

4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

4.1. Исследование рабочего процесса дизеля на альтернативных топ-ливах

4.1.1. Работа на смесевых топливах

4.1.2. Работа на синтетических топливах

4.1.3. Экспериментальные исследования рабочего процесса дизеля, работающего на водородонасыщенном топливе

4.2. Экспериментальное исследование температурно-концен-трационных полей пламени при сгорании дизельного и альтернативных топлив в дизеле в камерах сгорания различного типа

4.2.1. Анализ результатов исследования температурно-концен-трационных полей дизельного пламени по радиусу и по осевому направлению-цилиндра

4.2.2. Влияние некоторых конструктивных и эксплуатационных параметров дизеля на распределение температурно-концен-трационной неоднородности.

4.2.3. Анализ интегральных характеристик полей температуры и концентрации сажи

4.4. Выводы по главе

5. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОБЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВНУТРИЦИЛИНДРОВЫХ ПРОЦЕССОВ

5.1. Регрессионная аппроксимация температурно-концентраци-онной неоднородности в цилиндре

5.2. Физико-математическое моделирование процесса результирующего сажевыделения

5.2.1. Общая феноменология и физический механизм влияния альтернативных топлив

5.2.2. Математическая модель и методика расчета мгновенного локального сажевыделения в дизелях с неразделенной камерой сгорания

5.3. Развитие методики расчета эмиссии NOx

5.4. Методика численной оценки тепловой радиации по интегральным излучательным характеристикам

5.5. Теоретический анализ возможного повышения экономичности 36*

5.5. Выводы по главе 373 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО РАБОТЕ. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

И РЕКОМЕНДАЦИИ

Современное состояние экономики главенствующим образом определяется развитием энерговооруженостью отраслей производства. Существенная роль в этой проблеме принадлежит развитию и совершенствованию производства двигателей внутреннего сгорания.

На современном этапе развития науки и техники именно двигатель внутреннего сгорания (ДВС) останется основным типом привода для большинства мобильных и стационарных установок. Но все более увеличивающийся парк ДВС требует и возрастания добычи и производства топлива. Переход к дизельным двигателям, являющихся более экономичными, позволяет лишь частично решить топливную проблему.

Основным направлением решения энергоэкологической проблемы является улучшение конструкции существующих двигателей и доводке рабочего процесса ДВС,' создание более совершенных энергоустановок нового типа при использовании стандартных углеводородных топлив. Однако в первом случае решение задачи связано с трудоемкой и кропотливой ра ботой по коррекции рабочего процесса, базирук51цейся на использовании сложных систем управления, конструкции агрегатов^ двигателя в целом. Все это ведет к резкому росту стоимости энергетических агрегатов, при* весьма небольшом улучшении энергоэкологических показателей.

Новые энергетические установки, разработанные на данный момент, не требуют традиционных топлив и не предъявляют строгих требований к стандартным углеводородным топливам, к ним в частности относятся поршневые двигатели с послойным смесеобразованием, газотурбинные, паровые, роторные, а также двигатель Стирлинга. Однако большинство из этого ряда двигателей'не позволяют по тем или иным показателям кардинально улучшить проблему добычи и производства топлива, поскольку некоторое улучшение экономических показателей проблемы дефицита топливных ресурсов не затрагивают.

В этом плане больший интерес представляют электрические силовые установки, использующие электрические источники энергии - аккумуляторные батареи, топливные элементы и т.д. Но переход от ДВС к электросиловым установкам на данный момент невозможен вследствие необходимости огромного количества электроэнергии. Решение этого вопроса связано прежде всего с освоением термоядерного синтеза, поскольку на данный момент суммарная мощность ДВС в несколько раз превышает общую мощность электростанций, и необходимо в несколько раз увеличить выработку электроэнергии. Кроме того, сейчас подавляющее часть электроэнергии вырабатывается на тепловых электростанциях при сжигании ископаемых топлив, а следовательно, энергоэкологическая проблема лишь переходит из сферы ДВС в сферу электростанций.

Таким образом, 'на ближайшие десятилетия тепловой двигатель, останется основным типом автономной силовой установки, что вынуждает искать новые решения. Одно из таких решений - применение новых эффективных топлив в рамках потенциальных энерго-сырьевых ресурсов, технологической готовности и производственных возможностей.

В этом случае оптимальная стратегия развития ДВС предлагает два, последовательных этапа. На первом этапе основными топливами останутся современные углеводородные топлива при использовании новых компонентов и добавок. Эти компоненты могут использоваться как в составе базо вого топлива, так и в виде самостоятельных добавок, подаваемых в циI линдр двигателя с помощью автономных дозирующих устройств. Второй этап характеризуется постепенным переходом на синтетические топлива и энергоносители, производимые на базе как нефтяных компонентов горючих ископаемых, так и нетрадиционных энергоресурсов.

В настоящее время все потребности ДВС удовлетворяются топливом, произведенным из нефтяного сырья. Учитывая, что большая часть энергозатрат приходится на долю нефти (в России - 64%, в США - 75%), а запасы ее весьма ограничены (около 7%), необходим поиск новых источников топлива для ДВС.

В связи с этим в настоящее время идут интенсивные разработки исследовательских программ по применению различных альтернативных топлив в двигателях внутреннего сгорания.

На данный момент все альтернативные источники энергии подразделяются на две группы:

- средства аккумуляции нетрадиционных источников энергии : солнечной, ядерной, ветровой и т.д.; использование всех этих видов энергии предопределяется развитием техники и предназначено для энергетики будущего и предназначено прежде всего для производства электроэнергии;

- химические пррдукты, полученные из традиционных ископаемых. Эти виды топлива реальны для применения в ближайшие годы.

Подтверждением смещения источника сырья может служить обзор, проведенный исследовательскими лабораториями фирмы "Дженерал Моторс" [242].

Стремление добиться энергетической независимости заставляет ис--пользовать как автомобильные топлива не нефтяного происхождения, так й альтернативные топлива. При этом возникает ряд вопросов. Какое топливо можно будет производит^ эффективно? Из каких источников? Какие двигатели должны использоваться?

Для ответа на подобные вопросы потребуется оценка энергетического КПД всей системы производства и использования, начиная с сырья, находящегося в недрах, и до превращения энергии в механическую работу. В таком исследовании должны быть учтены все потенциальные топлива, основные источники таких топлив и реальные испытания потенциальных топлив в оправдавших себя автомобильных двигателях. С целью достижения наибольшего КПД в использовании энергетических ресурсов на автомобилях необходимо подобрать такое топливо и двигатель, которые могли бы обеспечить наиболее высокую эффективность в условиях производства и эксплуатации топлив.

Безусловно, энергетический КПД не является единственным критерием, определяющим наиболее удачную комбинацию топлива и двигателя. При их выборе приходится считаться с предотвращением загрязнения окружающей среды, политическими факторами и экономическими соображениями. Оценка экологических и экономических факторов связана с большими трудностями, тем не менее при окончательном решении вопроса о выборе топлива и двигателя эти факторы могут оказаться доминирующими.

Первичные источники, считающимися достаточными для производства будущего автомобильного топлива следующие : нефть, природный газ, водород и водородсодержащие топлива, горючие сланцы, уголь и биомасса.

Основными видами ископаемых топлив в настоящее время являются нефть, газ, уголь. Их потенциальные запасы на Земле приведены в таблице 1.1. [4].

Из этой таблице видно, что максимальные извлекаемые запасы угля 4 - 84.9 %, на долю нефти и газа приходится лишь 13.3 %, но при сопоставлении структуры мирового потребления энергии, можно проследить, что доля добываемых нефти и газа составляет 65% (табл. 1.2.) [4].

Тенденция преобладания доли нефти и газов в общем энергобалансе i характерна для всех развитых стран. При весьма ограниченных запасах нефти и газа их должно хватить на 20-50 лет, разведанных запасов угля минимально на 240 лет [108, 193, 202].

Таким образом, при анализе изменения структуры энергопотребления можно сделать вывод, что роль угля как топлива в будущем будет все больше возрастать [1, 31, 34, 35, 42, 43, 93, 102].

Еще одним перспективным источником сырья могут служить продукты переработки сельского хозяйства. Достоинством данного вида сырья может служить их возобновляемость, дополнительная экологическая чистота, обширность сырьевой базы. На основе продуктов переработки сель-хозсырья экономически выгодна их переработка в биогаз или спирты. Обширность ведущихся исследований по применению различных масел, биогаза и спиртов в двигателях внутреннего сгорания, проводимых крупнейшими фирмами: MAN, Volkswagen и др. [243] дополнительно подтверждают это.

Таблица 1.1.

Ресурсы ископаемых топлив.

Ископаемые —1- Общегеологические ресурсы Извлекаемые ресурсы млрд.т.ут. % млрд.т.ут. %

Уголь 11 100 84.9 5 800 85.2

Нефть 920 7.0 300 4.4

Газ 820 6.3 630 9.3

Прочие 230 1.8 80 1.2

Всего 13 070 100 6 810 100

Для более отдаленной перспективы наиболее реально применение водорода в качестве топлива. В настоящее время основными трудностями при использовании этого вида топлива являются : большие энергозатраты при производстве, трудности при хранении, недостаточная изученность рабочего процесса дизеля при работе на водороде. Решение этих проблем требует определенного времени и соответствующего научно-технического развития общества.

Таблица 1.2.

Изменение структуры мирового потребления энергии.

Энергоресурсы 1900 г. 1950 г. 1970 г. 1980 г. 2000 г. Конец XXI в. • млрд т.ут % млрд т.ут % млрд т.ут % млрд т.ут % млрд т.ут % млрд т.ут %

Уголь, дрова, торф 0.98 95 1:13 60 2.55 34 2.60 28 5.81 31 4.30 6.6

Нефть 0.03 3 0.68 24 2.97 39 4.05 44 5.50 30 6.00 9.2

Газ 0.01 1 0.26 9 1.46 19 1.99 21 3.30 19 1.30 2.0

Энергия гидро- и атомных станций 0.02 1 ,0.19 7 0.46 8 0.72 7 , 3.60 20 53.4 82

Всего 0.95 2.25 7.45 9.3 18.0 65.0

Преимуществами этого вида топлива являются: неограниченность запасов, экологическая чистота, возможность получения из воды, с помощью ядерной или солнечной энергии. Таким образом, водород обеспечивает предельную независимость от ископаемых топлив, которые можно более рационально использорать как сырье для химической промышленности.

Использование альтернативных топлив ставит перед нами задачу предсказания физико-химических свойств новых топлив или стандартного нефтяного топлива при применении присадок и добавок. Исследования на эту тему крайне слабо освещаются в литературе. Рассмотрение этой проблемы только с помощью химической кинетики не позволяет осветить некоторые вопросы крайне важные с точки зрения организации рабочего процесса двигателя, изготовления и хранения альтернативного топлива. Разработанные модели растворения не позволяют точно описать поведение растворов при их использовании в качестве топлива (при применении стандартных углеводородных топлив с присадками и добавками), что объясняется неоднородным химическим составом нефтяного топлива.

Разработка новых способов смешения и растворения и математического описания воздействия соответствующих присадок и добавок в нефтяном топливе позволит значительно сократить время на разработку новых составов альтернативных топлив и предсказания их физико-химических свойств, что в свою очередь легче позволит довести рабочий процесс двигателя при использовании новых альтернативных топлив.

При применении стандартных углеводородных топлив с добавками г или присадками различных видов альтернативных топлив возникает проблема оптимальной организации рабочего процесса. Даже при использовании стандартного нефтяного топлива достаточно затруднительно предсказать как и на сколько изменятся параметры рабочего процесса при изменении физико-химических свойств топлива, параметров камеры сгорания (КС), топливоподачи и т.д. Для альтернативных топлйв эта область еще более неисследованна.

Таким образом использование новых видов топлива ставит задачу оптимизации рабочего процесса дизеля в зависимости от физико-химических свойств используемого альтернативного топлива.

В основе рабочего процесса дизеля, как тепловой машины, лежит физический процесс горения углеводородного топлива, характерной особенностью которого являются высокотемпературные процессы образования и выгорания сажистых частиц, которая порождает такие негативные явления, как загрязнение окружающей среды твердыми высокодисперсными частицами и влияние на организм, как носителя высокотоксичных и канцерогенных соединений, высокая излучающая способность сажистого пламени, при значительном уровне температуры, обуславливает наличие существенной составляющей теплового излучения в суммарной теплопередаче деталям цилиндро-поршневой группы, химический недожог топлива, вследствие выделения углерода в твердой фазе и снижение индикаторного коэффициента полезного действия.

Для целенаправленного влияния на процессы образования и выгорания сажи с целью снижения указанных выше нежелательных факторов, а также уменьшение эмиссии других вредных веществ с .отработавшими газами, необходимо дальнейшее глубокое изучение закономерности протекания процесса сгорания в дизеле, который в силу специфический условий дизельного цикла отличается. нестационарностью, наличием градиентов концентраций и температур в объеме .цилиндра.

Значительный шаг b этом направлении был сделан благодаря разработанной экспериментальной установке, на которой была получена объемная картина распределения Локальных зон температур и сажеобразования при использовании различных конструкций камер сгорания. Применение этого метода позволило получить мощный инструмент исследования внут-рицилиндровых процессов при работе дизеля.

Исследование объемной картины сгорания в различных камерах сгорания методом оптического зондирования позволяет выявить особенности организации рабочего процесса дизеля как для нефтяного топлива, так и I для различных видов альтернативных топлив. I

Решение проблемы -использования альтернативных топлив в дизелях значительно затрудняется необходимостью строго выдерживать показатели ограничения выбросов вредных веществ с отработавшими газами. Ужесточение экологических норм на выброс основных вредных составляющих отработавших газов дизеля, окислов азота NOx и сажи, при применении альтернативных топлив ставит особо остро вопрос доводки рабочего процесса. Вследствие характерных особенностей физико-химического состава для большинства альтернативных топлив характерно увеличение выбросов окислов азота либо сажи.

Исследование перспективных образцов альтернативных топлив и получение характерных особенностей рабочего процесса, проанализированных затем с помощью модели сажеобразования, разработанной в С-ПбГТУ позволило определить эффективные методы снижения токсичности отработавших газов при использовании альтернативных топлив.

Проведение комплекса исследований по использованию альтернативных топлив, моделированию их физико-химических свойств, а также внутрицилиндровых процессов и предложение конкретных мероприятий по доводке рабочего процесса позволило создать единый комплекс для предложения образцов альтернативных топлив, их оценки с точки зрения обеспечения эффективных энергоэкологических характеристик.

Таким образом совокупность научных, методических и конструктор-ско-технологических вопросов по использованию альтернативных топлив в дизелях составляют единую крупную научно-техническую Проблему, на решение которой и направлена настоящая работа.

Цель работы: изучение особенностей внутрицилиндровых лроцессов и разработка практических способов использования альтернативных топлив в дизелях.

Для этого необходимо решить ряд основных задач: х

- определить предпочтительную номенклатуру реальных альтернативных топлив и принципиальные способы их использования в дизелях; провести теоретические и экспериментальные исследования по изучению процессов приготовления альтернативных топлив (одно- и двухфазных) и их физико-химических и моторных свойств;

- разработка экспериментально-методического обеспечения для изучения внутрицилиндровых процессов;

- экспериментально-расчетные исследования внутрицилиндровых процессов и определяющих показателей рабочего процесса автотракторных дизелей при работе на альтернативных топливах;

- обобщенный анализ результатов исследования, развитие теории и методов расчета некоторых внутрицилиндровых процессов и разработка практических рекомендаций по применению альтернативных топлив в транспортных дизелях.

Поставленная в работе цель достигалась решением следующих основных задач, определивших и последовательность изложения диссертационной работы.

1. Оценить наиболее вероятные пути развития использования различных видов сырья для производства моторного топлива. Проанализировать наиболее эффективные пути по преобразованию первичного сырья в

I • моторное топливо. Провести анализ эффективности использования различных видов альтернативных топлив в двигателях внутреннего сгорания. Оценить влияние различных видов нетрадиционных топлив на внутрици-линдровые процессы.

2. Определить принципиальные способы полного и частичного замещения нефтяных топлив и сформировать класс веществ, образующих совместимые одно- и двухфазные топливные смеси.

3. Разработать физико-химическую и математическую модель растворения газообразных добавок в дизельном топливе, позволяющие устаI новить количественную связь между процессом впрыска дизельного топлива и характеристиками растворения газа в нем. Определить основные кинетические характеристики процесса абсорбции газа дизельным топливом.

4. Разработать физико-химическую и математическую модель получения многокомпозиционных смесевых топлив, позволяющих произвести гомофазные замещения традиционного углеводородного топлива. Провести исследование растворов Дизельного топлива, низших спиртов (метанола, этанола) и соответствующего растворителя с целью определения физико-химических свойств.

5. Разработать комплекс экспериментальных средств и методик для исследования локальных физических условий протекания внутрицилин-дровых процессов (смесеобразования, сгорания, сажевыделения, эмиссия NOx, радиационной теплоотдачи и др.).

6. В модели результирующего сажевыделения произвести необходимые дополнения с целью учета различных физико-химических характеристик применяемых топлив и учета локальных неоднородностей температуры и концентрации топлива-окислителя внутри цилиндра. Экспериментальными исследованиями показателей работы дизеля на топливе с газообразными добавками установить эффективность ее использования для получения экономии топлива, снижения дымности и токсичности отработавших газов.

7. Провести экспериментальные исследования спирто-дизе^ьных композиций с целью оценки особенностей протекания внутрицилиндровь^х процессов и их влияние на энергетические и экологические характеристики дизеля.

8. Экспериментально определить эффективность применения синтетических углеводородных топлив, полученных из угля, и их влияние на I показатели рабочего процесса.

9. Провести экспериментальные исследования мгновенных объемных о полей температуры и концентрации сажи в цилиндре дизеля.

10. Исследовать влияние альтернативных топлив на температурно-концентрационную неоднородность, динамику сажевыделения и внешние энерго-экологические показатели транспортных дизелей с различными типами камер сгорания.

11. На основе научного анализа экспериментального материала разработать обобщенные аппроксимационные модели расчета температурно-концентрационной неоднородности.

12. Дать физическое объяснение новым экспериментальным фактам, усовершенствовать физико-математические модели и методы расчета рабочего процесса, сажевыделения, образования NOx, радиационного теплообмена, учитывающие особенности применения альтернативных топлив и температурно-концентрационной неоднородность.

13. Выполнить оценочные расчеты по усовершенстйованным методикам с целью их отладки и определения границ применимости^

14. Разработать рекомендации по практическому использованию созданных методов, устройств, физических моделей и расчетных схем при переводе автотракторных 'дизелей на альтернативные топлива.

Разрабатываемый комплекс работ по применению альтернативных топлив позволит внести значительный вклад по поиску новых видов топлив для ДВС, а также оценить их влияние на рабочий процесс, .экономические и экологические характеристики. Данные решения можно применять на стадии проектирования новых двигателей, предусматривая необходимые конструктивные мероприятия для адаптации к новым видам топлива. Соответственно конкретные программы можно включить в готовые комплексы систем проектирования дизелей, что позволит значительно сократить время и трудоемкость научно-исследовательских работ. I

Настоящая работа представляет часть комплексной работы, проводимой по Общесоюзной программе 0.10.11, Государственной программе "Сибирь" (научно-технический отчет N 0690070290).

Работа посвящена задачам решения важной научно-технической и экономической задаче - экономии традиционно^ нефтяного топлива, поиску новых источников топлива для двигателей внутреннего сгорания и изучение особенностей рабочего процесса дизелей, улучшения экономичности и экологических характеристик для перспективных топлив.

В качестве основных объектов исследования были взяты двигатели АО "Алтайдизель" и АО "Владимирский тракторный завод", на долю которых приходится весьма значительная часть парка дизелей. В работе нашли обобщения теоретические и экспериментальные исследования, выполненные автором в период с 1981 по 1994 годы в направлении проведения работ по исследованию альтернативных топлив, работе на традиционном нефтяном топливе с добавками и присадками, позволяющих улучшить экономические и экологические показатели дизелей. /

На защиту выносятся: '

1. Эффективные способы приготовления одно- и двухфазных альтернативных моторных топлив, включающие физико-химические модели, методики расчета и результаты исследований процессов смешения и рас

I < творения жидких и газовых компонентов при частичном замещении углеводородов нефтяного происхождения.

2. Усовершенствованная методика многоканального лазерного оптического индицирования с автоматизированной системой управления и обработки данных и экспериментально-расчетного определения мгновенных объемных температурно-концентрационных полей в цилиндре дизеля.

3. Новая система топливоподачи дизеля, обеспечивающая приготовление и впрыск 2-х фазного альтернативного топлива (газ-жидкость) с результатами комплексного исследования этой системы. I

4. Оригинальные результаты экспериментальных исследований объемных температурно-концентрационных полей в цилиндре различных дизелей, при работе на различных альтернативных топливах в зависимости от режимных, конструктивных и регулировочных факторов. л

5. Новые экспериментальные результаты эффективности применения альтернативных топлив в автотракторных дизелях по внешним энергетическим, экономическим и экологическим показателям.

6. Направления усовершенствования некоторых физических моделей и методов расчета внутрицилиндровых процессов (смесеобразования, тепловыделения, сажевыделения, эмиссии NOx, радиационного теплообмена), основанные на новых экспериментальных фактах.

7. Результаты расчетно-экспериментальных работ по исследованию рабочего процесса дизеля, работающего на различных видах альтернативных топлив и дизельном топливе с газообразными присадками.

Научная новизна работы определяется:

- научным обоснованием перспективных источников альтернативных топлив и формированием номенклатуры этих топлив, подлежащих всестороннему исследованию;

- разработкой метод^ расчетного анализа характеристик растворения

I • газа в дизельном топливе, позволяющем оценить физико-химические характеристики раствора и результатами такого анализа применительно к водороду и аммиаку;

- разработкой комплекса моделей и методов расчета процесса приготовления жидких смесевых топлив, определения их моторных свойств и анализа рабочего процесса при применении в дизеле;

- разработкой оригинального расчетно-экспериментального метода определения мгновенных объемных полей температуры и концентрации сажи, с помощью которого впервые получен обширный экспериментальI ный материал о влиянии на локальную температурно-концентрационную неоднородность в цилиндре и интегральные показатели рабочего процесса (экономичность, дымность, токсичность и др.) ряда конструктивных, режимных и регулировочных факторов при работе на различных видах альтернативных топлив;

- использованием новых обобщенных экспериментальных фактов для развития методов физического моделирования и совершенствования методов расчета внутрицилиндровых процессов сажевыделения, образования, NOx, результирующего теплообмена и др.

Практическую ценность имеют следующие результаты работы:

- комплекс расчетно-теоретических и методических разработок, определяющих конкретную номенклатуру и наиболее эффективные способы использования в автотракторных дизелях жидких смесевых и газожидкостных альтернативных топлив;

- конструкторские разработки системы топливоподачи газожидкостного альтернативного топлива и результаты доводки этой системы;

- экспериментально-исследовательский автоматизированный комплекс с методическим и программным обеспечением;

- результаты исследований и практические рекомендации по применению альтернативных, 'топлив в автотракторных дизелях, обеспечивающие получение высоких энергетических, экономических и экологических показателей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО РАБОТЕ. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

Проведенный комплекс теоретических расчетных и экспериментальных исследований позволил выявить ряд особенностей рабочего процесса дизеля при использовании различных видов альтернативных топлив. По результатам работы можно сделать следующие выводы :

1. Проведенный анализ показал, что наиболее реальным энергоносителем в ближайшее время будет уголь, его производные, водород и водородосодержащие топлива. Для двигателей внутреннего сгорания наиболее предпочтительными являются синтетическое жидкое топливо и спирты. Преимуществом -синтетического жидкого топлива является возможность получения аналогичных моторных свойств, недостатком - увеличенная стоимость получения (в 2-3 раза по сравнению с нефтяным топливом). Однако повышение стоимости топлива из нефти и возможность использования прогрессивйых технологий получения СЖТ снижают эту разницу.

К достоинствам спиртов следует отнести низкую стоимость получения и обширную сырьевую базу, недостаток - крайне плохие моторные свойства при применении спиртов в качестве топлива для дизелей. На основе анализа выбран способ подачи смеси дизельного топлива, этанола и растворителя как наиболее полно удовлетворяющему вопросам сохранения экономичности и минимальной переделки двигателей (позволяет обойтись только перерегулировкой топливной аппаратуры).

Наиболее эффективно применение водорода и водородсодержащих I топлив, однако на данном этапе достаточно проблематично создать водородный двигатель. В этом случае в качестве решения проблемы снижения расхода топлива и улучшения экологических характеристик можно применить метод насыщения дизельного топлива водородом.

2. Разработанные физико-математические модели растворения газа в дизельном топливе и смешения альтернативных топлив с дизельным топливом позволяют определить оптимальные физико-химические характеристики синтезируемых и различных видов альтернативных топлив для улучшения экономических и экологических показателей рабочего процесса дизельных двигателей.

3. Показана возможность' использования новых экспериментальных данных для развития методов моделирования и расчета результирующего сажевыделения и радиационного теплообмена и эмиссии NOx.

В ходе работы получен ряд конкретных результатов :

1. Разработанная методика смешения тройных растворов ДТ+этанол+растворитель на базе модели UNIFAC позволила определить , класс растворителей и выбрать конкретные виды этих веществ из ряда наиболее эффективных растворителей. С помощью математической модели определены оптимальные составы смесевых топлив и рассчитаны физико-химические и моторные характеристики этих видов топлива.

2. Разработана методика расчета процессов абсорбции газа (водород, аммиак и т.д.) дизельным топливом, позволяющая производить количественную оценку растворимости в условиях впрыска топлива в цилиндр. Установлены основные кинетические характеристики процесса абсорбции газа дизельным топливом.

3. Разработанная математическая модель результирующего сажевыделения, учитывающая локальные неоднородности концентрации сажи и температуры в цилиндре дизеля, и замещение традиционного углеводородного топлива альтернативными, адекватно описывает данный процесс с точностью 5-10%.

4. Предложенная математическая модель образования окислов азота позволяет адекватно описать процесс применительно к конкретным локальным физическим условиям в надпоршневом объеме, определяемых мгновенными полями температуры.

5. Проведенное расчетно-экспериментальное исследование процессов образования окислов азота позволяет определить время, место и способы воздействия в цилиндре дизеля на процессы окисления азота с целью I снижения их эмиссии с отработавшими газами.

6. При использовании традиционного дизельного топлива концентрационная неоднородность окислов азота в цилиндре дизеля составляет 8,0 -100 раз, а при использовании исследуемых альтернативных топлив, кроме тяжелого синтетического, снижается в 5 - 10 раз.

7. Разработанная физическая модель сгорания альтернативных топлив в присутствии традиционного нефтяного топлива, и распределенных в объеме цилиндра, описанная многозональной моделью образования и выгорания сажи, позволяет прогнозировать использование альтернативных топлив в дизелях с различными камерами сгорания.

8. Оценка локальных радиационных потоков в цилиндрах дизелей с различными типами смесеобразования, при их работе на различных видах топлив, показали высокую неоднородность полей радиационной теплоотдачи. Различия значений тепловых потоков в цилиндре в осевом и радиальном направлениях могут достигать 3 - 4 раз.

9. Расположение зон максимального теплового потока зависит от типа смесеобразования дизеля и от вида используемого топлива:

- в дизеле с преимущественно пленочным смесеобразованием в начале процесса сгорания зона максимального теплового потока расположена у стенок камеры сгорания,- в дальнейшем она локализуется на оси цилиндра у поверхности поршня;

- в дизеле с объемно-пленочным образованием в начале процесса сгорания зона максимального теплового потока расположена у стенок камеры сгорания, в дальнейшем наблюдается тенденция к выравниванию уровней излучения в радиальном направлении цилиндра;

- в дизеле с смесеобразованием, близким к объемному, сохраняются основные тенденции, отмеченные для объемно-пленочного смесеобразования, но с меньшими различиями значений локальной теплоотдачи.

10. Применение альтернативных топлив значительно изменяет картину распределения локальных тепловых потоков. Спирты, в силу своей худшей самовоспламеняемости, смещают зоны с максимальными тепловыми потоками к периферии цилиндра, т.к. большее количество топлива достигает стенок камеры сгорания. Насыщение топлива газами приводит к улучшению испаряемости топлива за счет выделения газообразной фазы в топливном факеле. Поэтому воздействие газов, растворенных в топливе, проявляется по всему объему цилиндра более равномерно.

11. Теоретически показана возможность повышения топливной экономичности дизеля на 3-8% при частичной замене дизельного топлива альтернативным.

12. Экспериментально показана возможность замены 40-60% дизельного топлива этанолом совместно с высшими спиртами с улучшением энерго-экологических показателей дизеля и без оснащения дизеля дополнительными системами питания.

13. Проведенные расчетно-экспериментальные исследования позволяют дифференцированно подойти к решению проблемы частичной замены традиционного углеводородного топлива исходя из имеющихся энергетических ресурсов и типа двигателя.

14. При проведении моторных испытаний были получены следуюI щие данные: экономичность при использовании смесей на основе октанола, пропанола и .изобутанола, содержащих по 60% ДТ, сохраняется в пределах прежнего уровня. При использовании смеси ДТ (40%) и растворителя изобутанола щ уменьшается во всем диапазоне нагрузок на 4-6%. Период задержки воспламенения для смесевых топлив на основе пропанола и изобутанола возрастает с ростом нагрузки, что объясняется снижением температуры смеси по причине высокой теплоты парообразования. Значение Tj находится в пределах 15-30 град.п.к.в. Для смесевых топлив на основе октанола зависимость от нагрузки повторяет зависимость для дизельного топлива, но больше в 1.5-2 раза. Жесткость работы при использовании смесевых топлив увеличивается. Так р2 на номинальном режиме возрастает до 10 МПа,

- в 2 раза и составляет • 1.5 ^шах dtp

МПа/град. Максимальная температура сгорания возрастает до 2200-2300 К.

15. При сравнении 2-х образцов синтетического жидкого топлива: первичной смолы гидрогенизации (ТТ) и гидроочищенного жидкого топлива (СЖТ) были получены следующие результаты: гидроочищенные синтетическое жидкое топливо по всем своим показателям: экономичности, жесткости, рабочего процесса, токсичности превосходит традиционное топливо. Тяжелое топливо (ТТ) из-за наличия большего количества ароматических углеводородов и химически связанного азота имеет худшие характеристики: продолжительность т{ возрастает на 2 град.п.к.в., КПД уменьшается на 3-5% , Pz возрастает на 10-15%, Tz больше на 10%.

16. Экспериментальным и расчетным путем получены результаты, показывающие, что при добавке водорода, в среднем 0.1%, уровень сажевыделения снижается на 30-50%, а количество окислов азота уменьшается на 30-40%. Показана возможность снижения, что при добавке Шн2=0.1% к топливу для режимов работы с частотой вращения вала

II i^w-i^w тш, и нагрузкой Pj=0.5 - 1.6 МПа приводит к уменьшению расхода топлива g[=5-8% или на 6-14 г/кВт-ч.

17. Получены экспериментальные картины пространственного распределения сажистых частиц и температуры, что позволяет получить более точный инструмент для изучения рабочего процесса дизеля при применении топлив с новыми характеристиками.

Для проведения работы и получения надежных и достоверных результатов были разработаны следующие методы и средства исследований :

1. Создание автоматизированной системы индицирования двигателя на базе микроЭВМ ДВК-ЗМ (МС-0502) с пакетом прикладных программ по обработке индикаторной диаграммы, характеристик топливопода-чи и оптического индицирования двигателя позволило решить задачи исследования при сокращении затрат времени на обработку экспериментальных данных и повышении точности.

2. Создание уникальной установки по измерению пространственных полей распределения температур и концентрации сажи позволили получить эффективный инструмент по изучению внутрицилиндровых процессов с целью поиска наиболее действенных путей по улучшению экономических и экологических характеристик.

1. Абросимов А.А., Попов С.А., Голубев Ю.А. Создание экологически чистых автомобильных топлив - важный фактор оздоровления больших городов / / Химия и технология топлив и масел.- 1990.- №4.-С. 2.

2. Аднан И.Ш., Камфер Г.М., Луканин В.Н. Расчет периода задержки воспламенения при сгорании топлив различного состава / / Рабочие процессы и кострукция автотракторных двигателей внутреннего сгорания,- М.: МАДИ, 1984,- С. 25-29.

3. Аднан И.Ш., Камфер Г.М., Луканин В.Н. Расчет периода задержки воспламенения в дизеле в условиях двухфазного смесеобразования / / Совершенствование автотракторных двигателей внутреннего сгорания,- М.: МАДИ, 1985.- С. 76-78.

4. Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей / Алексеев В.П.,Иващенко Н.А.,Ивин В.И.; Под ред. А.С.Орлина, М.Г.Круглова.- М.: Машиностроение, 1980.- 288 с.

5. А.С. 358854 Способ получения водорода / Ленинградский ордена Трудового Красного Знамени технологический институт им. Ленсовета; Авт. изобрет. Ю.М.Григорьев, С.А.Плюшкина и др.- Заявл. 14.04.75 № 2123555/26/, опубл. в Б.И., 1977, № 19.

6. А.С. 291557. Способ получения водорода / Государственый научно-исследовательский институт цветных металлов.; Авт. изобрет.

7. A.И.Вулих и др. заяв. 17.04.69 № 1322029/23-26/, Опубл. в Б.И. 1977, № 1.

8. А.С. 1320474 (СССР). Двигатель внутреннего сгорания с- воспламенением от сжатия / Алтайский политехнический институт: Авт. изобрет. С.П.Кулманаков, Д.Д.Матиевский и др.- Заявл. 31.05.85., № 3903135/25-06, опубл. в Б.И. 1987, № 24.

9. А.С. 1456622 (СССР). Двигатель внутреннего сгорания / Алтайский политехнический институт: Авт. изобрет. С.П.Кулманаков, Д.Д.Матиевский и др.- Заявл. 31.05.85., № 3903136/25-06, опубл. в Б.И. 1989, № 5.

10. А.С. 1087681 (СССР). Система питания двигателя внутреннего сгорания / Алтайский политехнический институт: Авт. изобрет.

11. B.А.Вагнер, Д.Д.Матиевский и др.- Заявл. 29.08.83., № 3556791 /25/, опубл. в Б.И. 1984, № 13.

12. Александров А.П. Перспективы развития атомной энергетики / / Атомно-водородная энергетика и технология.- М.: Атомиздат, 1978.-Вып. I.- 248 с.

13. Артюхов И.М., Шорин С.Н. Газоснабжение.- М.: Минкомхоз РСФСР, 1956.- 248 с.

14. Подача и распыливание топлива в дизелях / Астахов И.В., Трусов В.И., Хачиян А.С.- М.: Машиностроение, 1971.- 359 с.

15. Ахмедов Р.Б., Цирульников JI.M. Технология сжигания горючих газов и жидких топлив.- Л.: Недра, 1984.- 283 с.

16. Бакиров Ф.Г., Катанов Р.С., Полещук И.З. О механизме сажеобразо-вания и нагарообразования при горении углеводородных топлив в камерах сгорания двигателей / / Элементы теории рабочих процессов ДВС,- Уфа, 1976/- Вып. I.- С. 31-36.

17. Баранов Н.А. Разработка методов и проведения экспериментальных исследований на двигателе условий образования и физических свойств дизельной сажи: Дисс. канд. техн. наук / ЦНИДИ.- Л., 1981.- 142 с.

18. Баранов Н.А., Смайлис В.И. Исследование высокотемпературной сублимации и дисперсного состава дизельной сажи / / Экспериментальное и теоретическое исследование по созданию новых дизелей и агрегатов.- Л., 1980,- С. 82-89.- (Труды ЦНИДИ)

19. Басевич В.Я., Соколик А.С. Физико-химическая природа воспламенения в двигателе с воспламенением от сжатия / / Тр. конф. по поршневым двигателям.- М.: АН СССР, 1956.- С. 47-49.

20. Батурин С.А. Исследование тепловыделения, сажеобразования и излучения в цилиндре дизеля с использованием оптического квантового генератора.: Дисс. . канд. техн. наук. Л., 1972.- 243 с.

21. Батурин С.А., Лебедев О.Н. Исследование процессов сажевыделения и тепловыделения в судовом дизеле при работе на эмульсированном топливе / / Тр. / Новосиб. ин-т водного транспорта.- Новосибирск, 1975.- Вып. 100,- С. 38-40.

22. Батурин С.А., Синицын В.А. Аналитическое определение спектральной и интегральной степени черноты дизельного пламени / / Динамическая и тепловая нагруженность и надежность работы сельскохозяйственных агрегатов.- Барнаул, 1981,- С. 121-127.

23. Батурин С.А., Синицын В.А. Физические условия и определяющие показатели радиационного теплообмена в дизелях // Двигателе-строение.- 1982.- № 12.- С. 14-16.

24. Батурин С.А. Физические основы и математическое моделирование процессов результирующего сажевыделения и теплового излучения в дизелях: Автореф. дисс. докт. техн.наук.- Л., 1982.- 44 с.

25. Батурин С.А. Физические основы и математическое моделирование процессов результирующего сажевыделения и теплового излучения в дизелях. Дисс. докт. техн. наук.- Л, 1982.- 357 с.

26. Батурин С.А. Сажеобразование и лучистый теплообмен в ДВС / / Элементы системы автоматизированного проектирования ДВС,- Л.: Машиностроение, 1990,- С. 113-142.

27. Белинкий Л.М. Теплоизлучение в камерах сгорания быстроходного двигателя с воспламенением от сжатия / / Труды НИЛД.- М.: Маш-гиз, 1956,- №1,- С. 83-113.

28. Белоусов А.Н., Готфрид В.К., Капустин В.М. Установка концентрирования водорода / / Химия и технология топлив и масел.- 1992.-№ 22.- С. 9-10.

29. Блох А.Г. Основы теплообмена излучением.- М.- Л.: Гос-энергоиздат, 1962.- 331 с.

30. Блох А.Г. Тепловое излучение в котельных установках.- М.: Энергия, 1967.- 326 с.

31. Блох А.Г. Теплообмен в топках паровых котлов.- Л.: Энергоиздат,1984,- 240 с.

32. Болдырев И.В. Особенности сгорания частиц углерода в цилиндре быстроходного дизеля / / Труды НИИ.- 1966.- № 18.- С. 35-39.

33. Большаков Г.Ф. Нефть-ценное сырье для химической промышленности / / Развитие химической промышленности Сибири.- Томск,1985.-С. 75-115.

34. Басевич В.Я., Когарко С.М. Промотирование горения физика горения и взрыва.- М., 1969,- С. 99-105.

35. Бродский А.Н. Физическая химия.- М-Л.: Госхимиздат, 1948.- 210 с.

36. Буевич В.И., Иванченко А.А. Перспективы применения синтетических топлив из угля в судовых дизелях / / Повышение эффективности технической эксплуатации СЭУ.- Новосибирск, 1983,- С. 47-56.I

37. Булычева З.Ю., Семенихин А.Н., Соколов М.Г. Дизель и газодизель: соревнование равных // Автомоб. пром-ть.- 1992.- № 2.- С. 13-14.

38. Вагнер В.А. Водород-эффективное средство повышения экономичности и снижения токсичности отработавших газов дизелей / / Тез. докл. к XI краевой науч.- практ. конференции молодых ученых и специалистов Барнаула.- Барнаул, 1984.- С. 106-107.

39. Вагнер В.А., Новоселов A.JI., Лоскутов А.С. Снижение дымности дизелей / Алт.краевое правление Союза НИО СССР.- Барнаул: Б.И.,1991,- 140 с.

40. Вагнер В.А. Пути использования водорода как топлива для дизелей / / Молодые ученые и специалисты Алтая народному хозяйству.-Барнаул, 1983.- С. 88-89.

41. Система автоматизированного сбора информации в ДВС. Вагнер В.А., Русаков В.Ю., Гладышев А.В., Кулманаков С.П. // Двигате-лестроение,- 1990,- № 4.- С. 24-26.

42. Варшавский И.Л. Гашение детонации обеднением смеси при работе двигателя на бензино-воздушных и водородно-воздушных смесях / / Защита воздушного бассейна от загрязнения токсичными выбросами транспортных средств / АН УССР.- Харьков, 1977, С. 83-92.

43. Варшавский И.Л., Магульский Ф.Ф. Токсичность дизельной сажи и измерение сажесодержания дизельного выхлопа,- Труды ЛАНЭ.- Л.-1969,- С. 87-93.

44. Васильев Ю., Золотаревский Л. Двигатели газобалонных автомобилей на пути к совершенствованию / / Автомоб. трансп,- 1988.-№10.- С. 45-47.

45. Веденяпин Г.В. Общая методика экспериментального исследования и обработки опытных данных.- М.: Колос, 1967,- 156 с.

46. Приближенная теория образования окислов азота в топках парогенераторов. Ветрова Н.В., Померанцева В.В., Дульнева Л.Г., Соболев В.М. / / Тр. Ленингр. политехи, ин-та.- 1977.- Вып. 2.- С. 38-40.

47. Вибе И.И. Новое о рабочем цикле двигателей.- М.: Машгиз, 1962,271 с.

48. Вигдорчик Е.М., Шейнин А.Б. Математическое моделирование непрерывных процессов растворения.- Л.: Химия, 1971.- 248 с.

49. Перспективы применения топлив широкого фракционного состава в быстроходных дизелях. Вихерт М.М., Гершман И.И., Малявинский Л.В., Свиридов Ю.Б. М.: НИИНавтопром, 1967.- 276 с.

50. Вихерт М.М., Кротко А.П. Влияние типа рабочего процесса и режима работы быстроходных дизелей на свойства отработавших газов / / Автомобильная промышленность.- 1975.- № 10.- С. 8-11.50