автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Оценка эффективности применения многокомпонентных биотоплив в дизельных двигателях сельскохозяйственных машин

На правах рукописи

БЫКОВСКАЯ ЛАРИСА ИГОРЕВНА

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ БИОТОПЛИВ В ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 ОКТ 2013

Москва - 2013

005535321

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячки-на (ФГБОУ ВПО МГАУ).

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Девянин Сергей Николаевич,

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Тракторы и автомобили» Московского государственного агроинженерного университета им. В.П. Горячкина (ФГБОУ ВПО МГАУ)

Фомин Валерий Михайлович,

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Автомобильные и тракторные двигатели» Московского государственного машиностроительного университета «МАМИ»

Ведущая организация:

Савастенко Андрей Александрович,

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Теплотехника и тепловые двигатели» Российского университета дружбы народов (РУДН)

ООО НПК «Экосистема»

Защита диссертации состоится «11» ноября 2013 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 220.044.01 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет им. В. П. Горячкина» по адресу: 127550, Москва, Лиственничная аллея, д. 16 а, корпус 3, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГАУ им. В.П. Горячкина.

Автореферат разослан « 2_» октября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета ^ А.С. Дорохов

\

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ВМТ - верхняя мертвая точка;

ВСХ - внешняя скоростная характеристика;

ДТ - дизельное топливо;

ОГ - отработавшие газы;

МЭРМ - метиловый эфир рапсового масла;

РМ - рапсовое масло;

ТНВД - топливный насос высокого давления;

УОВТ - угол опережения впрыскивания топлива.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность диссертационной работы обусловлена необходимостью удовлетворения жестких требований к показателям топливной экономичности и токсичности ОГ дизелей, в том числе и для сельхозмашин. Эти показатели в значительной степени зависят от характера протекания процессов распыливания топлива и смесеобразования, которые в большой мере определяются свойствами топлив. Особенно остро эта проблема стоит в дизелях, работающих на биотопливах на основе растительных масел, поскольку эти топлива отличаются от нефтяных топлив худшей испаряемостью, более тяжелым фракционным составом, повышенными плотностью, вязкостью, поверхностным натяжением. Эта проблема может быть решена путем разработки многокомпонентных смесевых топлив, но при этом необходима оптимизация их состава, которая должна проводиться с учетом целого комплекса показателей. Использование многокомпонентных смесевых биотоплив на основе растительных масел в сочетании с оптимизацией их состава позволит достичь требуемых показателей топливной экономичности и токсичности ОГ дизелей сельхозмашин.

Цель работы: Обосновать и экспериментально подтвердить эффективность применения многокомпонентных биотоплив в дизельных двигателях сельскохозяйственных машин.

Методы исследований. Поставленная в работе цель достигается сочетанием теоретических и экспериментальных методов исследования. С помощью теоретических методов проведена оценка экологических показателей различных топлив. Экспериментальная часть работы заключалась в определении показателей дизеля, работающего на многокомпонентных смесевых биотопливах.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана методика оптимизации состава многокомпонентных смесевых биотоплив для дизелей сельскохозяйственных машин, заключающаяся в использовании предложенного четырехрежимного испытательного цикла и уточненного обобщенного критерия оптимальности;

- проведена адаптация методики расчета процесса топливоподачи дизелей применительно к многокомпонентным смесевым биотопливам;

- в сравнительных экспериментальных исследованиях подтверждены преимущества многокомпонентных смесевых биотоплив на основе рапсового масла перед нефтяным дизельным топливом.

Достоверность и обоснованность научных положений определяются:

- использованием современных методик оптимизации состава смесевого биотоплива и параметров дизельного двигателя;

- использованием современных методик расчета топливоподачи дизеля;

- совпадением результатов расчетных и экспериментальных исследований, полученных при испытаниях на развернутом двигателе.

Практическая ценность состоит в том, что:

- разработанная методика сравнительной оценки различных топлив позволяет определить оптимальный состав смесевых биотоплив, обеспечивающий благоприятное сочетание показателей топливной экономичности и токсичности ОГ дизельного двигателя сельскохозяйственной машины, выполняющей основные технологические операции;

- методика расчета процесса топливоподачи адаптированная для дизеля, позволяет оценить особенности этого процесса в дизелях, работающих на многокомпонентных биотопливах;

- проведенные экспериментальные исследования дизеля, работающего на многокомпонентных биотопливах, подтвердили эффективность использования этих топлив в отечественных дизельных двигателях сельхозмашин.

Реализация результатов работы. Работа проводилась в соответствии с планами госбюджетных и хоздоговорных работ кафедры «Тракторы и автомобили МГАУ им. В.П. Горячкина. Результаты исследований внедрены во Всероссийском научно-исследовательском институте использования техники и нефтепродуктов Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии) и в ЗАО «Ногинский завод топливной аппаратуры». Апробация работы:

Диссертационная работа заслушана и одобрена на заседании кафедры «Тракторы и автомобили» в МГАУ им. В.П. Горячкина в 2013 г.

По основным разделам диссертационной работы были сделаны доклады:

- на межотраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития поршневых ДВС», посвященной 80-летию кафедры судовых ДВС и дизельных установок СПбГМТУ и 120-летию проф. В.А. Ван-шейдта, 18 ноября 2010 г., Санкт-Петербург, СПбГМТУ;

- на научно-практическом семинаре «Чтения В.Н. Болтинского», 20-21 января 2010 г. и 22-23 января 2013 г., Москва, МГАУ им. В.П. Горячкина;

- на Всероссийском научно-техническом семинаре (ВНТС) им. проф. В.И. Крутова по автоматическому управлению и регулированию теплоэнергетических установок при кафедре «Теплофизика» (Э-6) МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2010, 2011, 2012 и 2013 г.г., Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 4 статьи (из них 4 - по перечню ВАК) и 4 материала конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и заключения, списка использованной литературы и приложения. Общий-объем работы : 182 страницы, включая 167 страниц основного текста, содержащего 67 рисунков, 28 таблиц. Список литературы включает 117 наименований на 13 страницах. Приложение на 2 страницах включает документы о внедрении результатов работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована необходимость улучшения показателей топливной экономичности и токсичности ОГ автотракторных дизельных двигателей и дана общая характеристика диссертации.

В первой главе проведен анализ литературных источников по теме диссертации. Отмечено, что необходимость адаптации дизелей к работе на биотопливах, получаемых из растительных масел, подтверждена в работах JI.B. Грехова, C.B. Гусакова, С.Н. Девянина, A.C. Кулешова, С.А. Нагорно-ва, H.H. Патрахальцева, Е.Г. Пономарева, Г.С. Савельева, В.М. Фомина и других ученых. Рассмотрены проблемы использования биотоплив на основе растительных масел в дизелях, виды используемых биотоплив, физико-химические свойства этих биотоплив и нефтяного ДТ, особенности работы дизелей на указанных биотопливах. На основании проведенного анализа сформулированы цель работы и следующие задачи исследования:

1. Разработка методики сравнительного анализа эффективности использования альтернативных топлив в дизельных двигателях сельхозмашин.

2. Разработка методики оптимизации состава многокомпонентных смесевых биотоплив для автотракторных дизелей сельскохозяйственных машин.

3. Адаптация методики расчета процесса топливоподачи дизелей применительно к многокомпонентным смесевым биотопливам и проведение расчетных исследований топливоподачи дизеля при работе на них.

4. Экспериментальные исследования эффективности использования многокомпонентных смесевых топлив в дизеле с оценкой по разработанным методикам.

Вторая глава посвящена разработке методик сравнительного анализа эффективности использования альтернативных топлив в дизелях сельскохозяйственных машин и оптимизации состава многокомпонентных смесевых биотоплив. Рассмотрены особенности распределений режимов работы дизелей в условиях эксплуатации и испытательные циклы для оценки токсичности их ОГ. Отмечено существенное различие в режимах работы машин различного назначения. Показано, что транспортные дизели в городских условиях большую часть времени эксплуатируются на режимах с неполными нагрузкой и частотой вращения. В частности, дизель типа Д-245 (4ЧН11/12,5) городского автобуса, созданного на базе автомобиля

ЗиЛ-5301 «Бычок» на режиме номинальной мощности (при «=2400 мин"1) работает только 1,2% времени (рисунок 1 ,а). Основную долю режимов составляют режимы холостого хода (около 50%), причем, на режим холостого хода при минимальной частоте вращения (яХхгшп=600 мин"1) приходится 32,2% всего времени работы. Для сельскохозяйственных машин, выполняющих основные технологические операции (прямое комбайнирование, пахота и др.), более характерны режимы с большими нагрузкой и частотой вращения. Так, дизель комбайна Дон-1500 в технологическом процессе уборки кукурузы работает, в основном, на режимах с большой частотой вращения со средней загрузкой 70-80% от максимальной (рисунок 1, б). При этом доля режимов предельной регуляторной характеристики в этом технологическом процессе составляет около 50%.

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2

0,4 1,2"

2,3 1,Ь 0

3,0 1,1 4.2 0,2

0,1 2,3 0,2 0,2 0,1 0

0,8 0,5 0,2 0 0 0.3

0.2 0 0,2 0.4 0,6 /,5

0,6 0,6 0,5 0,2 0,1 0,2

0,4 0,2 9,7 0,5 0,5 0,3

0,3 0,5 3,5 0,4 0,3 7,2 0,1 0 0

32,2 1,7 1,5 2,0 2,4 5.2 0,5 0,4 0,3 0,2

3,8

3,0

2,2

4 5,1 6,3

2,5 5,4 7 19,2

2,2 4,4 8 19,5\

0,6 1,8 2,1 6 \

600

960 1320 1680 2040 п, мин'

1800

1900

2000 п, мин'

а б

Рисунок 1 - Распределение режимов работы дизелей: а - городского автобуса в условиях городского движения; б - комбайна Дон-1500 в технологическом процессе уборки кукурузы (ЬР - положение рейки ТНВД)

При оценке токсичности ОГ дизелей используются испытательные циклы. В Европе дизели грузовых автомобилей испытываются на установившихся режимах, соответствующих режимам тринадцатирежимного цикла ЕСЕ /?49 (рисунок 2, а). Этот цикл включает 13 режимов: три режима холостого хода с минимальной частотой вращения л=(0,25^0,3)-л„ом (25% времени работы), пять нагрузочных режимов (10, 25, 50, 75, 100% нагрузки - крутящего момента Ме) при номинальной частоте вращения ином и пять нагрузочных режимов (10, 25, 50, 75, 100% нагрузки) при частоте вращения ^тах=(0,6-0,7) лном максимального крутящего момента. Доля номинального режима составляет 10% от общего времени работы. Для испытаний дизелей внедорожных транспортных средств используется вось-мирежимный испытательный цикл (рисунок 2, б). Он используется при оценке соответствия показателей токсичности ОГ дизелей нормам /50 8178-4. Этот цикл наряду с режимом холостого хода при «=0,3 птм (15% времени работы) включает семь нагрузочных режимов при номинальной частоте вращения коленчатого вала пном и частоте вращения

п=0,6 пном максимального крутящего момента. Доля номинального режима | составляет 15% от общего времени работы двигателя.

а б

Рисунок 2 - Тринадцатирежимный цикл ЕСЕ R49 для автомобильных дизелей (а) и восьмирежимный цикл стандарта ISO 8178-4 для дизелей внедорожных транспортных средств (б)

Поскольку реальные распределения режимов работы дизелей сельхозмашин, выполняющих основные технологические операции, существенно отличаются от режимов восьмирежимного цикла стандарта ISO 8178-4, при разработке методики оптимизации состава многокомпонентных смесе-вых биотоплив для дизелей сельхозмашин предложен четырехрежимный испытательный цикл (рисунок 3). Он получен путем обработки распределения режимов дизеля СМД-31 комбайна Дон-1500 в технологическом процессе уборки кукурузы (рисунок 1,6). Этот цикл включает четыре нагрузочных режима при номинальной частоте вращения, соответствующих нагрузкам 100%, 75%, 50% и 25%. Доли времени работы на каждом режиме равны соответственно 10%, 40%, 40% и 10%.

м

е 1

о/ /о

80 60 40 20 О

№ 1 10%

15

№2 40%

т

3 40%

ф

№4 10%

40 60 80 100 П, %

Рисунок 3 - Предлагаемый четырехрежимный испытательный цикл для оценки токсичности ОГ дизелей сельхозмашин (точками показаны режимы цикла; рядом с каждой точкой — номер режима и доля времени работы двигателя на этом режиме)

С использованием предложенного четырехрежимного цикла (рисунок 3) и экспериментальных данных по дизелю Д-245.12С (4 ЧН 11/12,5), работающему на многокомпонентных биотопливах, проведена оптимизация состава этих топлив. Рассмотрены многокомпонентные биотоплива с добавкой бензина - смесь 85% ДТ, 5% РМ и 10% бензина АИ-80, смесь 80% ДТ, 10% РМ и 10% бензина АИ-80, а также смесь 70% ДТ, 20% РМ и 10% бензина АИ-80. Оптимизация состава таких топлив проведена по методике, базирующейся на составлении обобщенного критерии оптимальности Ja в виде суммы частных критериев. В качестве частного критерия топливной экономичности использовано отношение эффективных КПД дизеля, работающего на ДТ и смесевом биотопливе (соответственно т^дт и т|с/). В качестве частных критериев токсичности ОГ, выбраны отношения концентраций оксидов азота, монооксида углерода и углеводородов в ОГ дизеля, работающего на исследуемом смесевом биотопливе (соответственно CNOxi, Cco-, Сснх/), к аналогичным концентрациям дизеля, работающего на ДТ (соответственно CNox дт, Ссо дт, Сснх дт)- Тогда выражение для критерия J0 принимает вид:

J0=a7]eJVe +öNOx-/NOx + аСоЛю +аСНхЛ:Нх =

lern CNOx; , „ CcQ, QHx / m

= a„-+ aNOx 7;-+ aCO 7;-+ аснх 7-' U)

Lrn m- <-r

<-NOxOT сСОдт ССНхлг

где аЧе, %0х, «со, «снх - весовые коэффициенты частных критериев оптимальности.

При этом весовой коэффициент аче, относящийся к эффективному КПД двигателя, принят равным единице, а весовые коэффициенты aNox, асо, Оснх, характеризующие выброс токсичных компонентов, определялись в виде отношений действительной эмиссии этих компонентов при работе дизеля на ДТ {емох, eco, еСц*), к предельным величинам эмиссии, определяемым нормами на токсичность ОГ (eNOx пр, eco пр, еснх пр)- При расчетных исследованиях весовые коэффициенты aNOx, ас0, яСИх определялись при ограничениях на эти выбросы, накладываемых нормами EURO-4. В результате получены значения весовых коэффициентов частных критериев: =1.0;

«nox = емох > еыох пр = 6,630/3,5 = 1,89;

аСо=есо/есопр =2,210/1,5=1,47;

«снх = еснх /^снх пр =0,580/0,5 =1,16. (2)

Эти значения весовых коэффициентов приняты постоянными для всех исследуемых видов топлива и для всех исследуемых режимов работы.

В принятом четырехрежимном цикле (рисунок 3) на режиме максимальной мощности дизель работает лишь 10% времени, а дымность ОГ исследуемого двигателя на этом режиме сравнительно невелика (Кх = 14,5% по шкале Хартриджа при работе на ДТ). Поэтому выражение (1) для обобщенного критерия Л не содержит слагаемого, характеризующего дымность

ОГ. Сравнение показателей дизеля, работающего на различных топливах, проведено с использованием относительного критерия оптимальности Уоотн - отношения критерия J0, полученного для данного топлива, к значению этого критерия У0дт, соответствующему работе на ДТ, т.е.

■Л) ОТН — / "^о дг ■ С5)

При анализе результатов исследований кроме относительного обобщенного критерия оптимальности J0 от„ введен показатель УМОх отн- Он представляет собой отношение удельного массового выброса оксидов азота ем0х / дизеля, работающего на исследуемом топливе, к удельному массовому выбросу оксидов азота емох дт дизеля при его работе на ДТ, т.е.

Люх отн = еШх / ¡еГЮх дг ■ (4)

Расчеты показали, что перевод дизеля Д-245.12С с нефтяного ДТ на смесевые биотоплива с добавкой бензина АИ-80 позволил заметно снизить выброс с ОГ оксидов азота (рисунок 4,а). Так, на режимах четырехрежим-ного цикла переход с нефтяного ДТ на смесь 80% ДТ, 10% РМ и 10% бензина АИ-80 сопровождался максимальным снижением выброса с ОГ оксидов азота - с 6,344 до 5,544 г/(кВт-ч), т.е. на 12,6%. Но при этом возросла эмиссия монооксида углерода СО и углеводородов СНХ. Максимальный рост выброса с ОГ монооксида углерода - с 1,845 до 2,212 г/(кВт-ч), т.е. на 19,9% - отмечен при переводе дизеля на смесь 70% ДТ, 20% РМ и 10% АИ-80. Максимальное увеличение выброса с ОГ углеводородов - с 0,575 до 0,810 г/(кВт-ч), т.е. на 40,9% - соответствовало переводу дизеля на смесь 80% ДТ, 10% РМ и 10% АИ-80. При этом отмечено и максимальное снижение эффективного КПД-с 0,318 до 0,311, т.е. на 2,2%.

' №х отн 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 О

(2 03

1,000

■ «

-К®

:

Рисунок 4 - Значения критериев оптимальности похоти (а) и 10Отн (б) и при работе дизеля Д-245С на различных топливах: 1 - ДТ; 2 - смесь 85% ДТ, 5% РМ и 10% бензина АИ-80; 3 - смесь 80% ДТ, 10% РМ и 10% бензина АИ-80; 4 - смесь 70% ДТ, 20% РМ и 10% бензина АИ-80

Обобщенный критерий оптимальности J0 от„ оказался примерно одинаков для всех топлив: его наименьшее значение (Уоот„= 1,000) соответство-

вало работе дизеля Д-245.12С на нефтяном ДТ, а наибольшее (Уоотн— 1,089) - работе на смеси 80% ДТ, 10% РМ и 10% АИ-80 (рисунок 4,6). Среди рассматриваемых смесевых биотоплив наилучшее сочетание параметров топливной экономичности и токсичности ОГ обеспечивает смесь 2 - 85% ДТ, 5% РМ и 10% АИ-80. При работе на этой смеси обобщенный критерий оптимальности Лоты имеет наименьшее значение (./<,0™= 1,004) по сравнению с другими многокомпонентными биотопливами. В этом случае выброс оксидов азота снизился на 7,6%, выброс монооксида углерода возрос на 7,1%, а выброс углеводородов - на 4,3%, эффективный КПД снизился на 0,6%.

В третьей главе приведены результаты расчетов топливоподачи дизеля, работающего на смесевых биотопливах, с использованием программного комплекса «Впрыск», разработанного проф. Л.В. Греховым. Исследована топливоподача РМ, МЭРМ и их смесей с нефтяным ДТ. Объектом исследований являлась система топливоподачи дизеля типа Д-245.12С. Результаты исследований системы на ДТ и номинальном режиме показали: максимальное давление впрыскивания ръпр тах=49,5 МПа при среднем давлении впрыскивания рвпр ср=26,9 МПа и действительной продолжительности впрыскивания рВпрлейств=8,37 град поворота кулачкового вала ТНВД.

Для сравнительного анализа показателей топливоподачи дизеля, работающего на биотопливах, были проведены расчеты этого процесса при использовании ДТ, РМ, МЭРМ и их смесей различного состава. В процессе образования смеси происходит изменение ее плотности и вязкости, что оказывает влияние на процесс топливоподачи. Для проведения расчетных исследований на альтернативных топливах плотность и вязкость многокомпонентного топлива могут быть определены экспериментально, но это усложняет проведение расчетных исследований. В работе предлагается адаптировать программный комплекс и рассчитывать плотность смеси по зависимости:

/?см=х<5;-л, (5)

где Р\ - объемная доля ¡-го топлива в многокомпонентной смеси и его плотность.

Вязкость смеси предлагается определять по зависимости вида:

Уа,=бГУ1+52-У2-к-Аи1 (6)

где - объемная доля и кинематическая вязкость 1-го и 2-го

топлива соответственно; ДV = \У{

2 2 ) ~ коРРектиРУющи" коэффициент.

Максимальная ошибка определения плотности смеси не превышала 0,6% от экспериментальных значений, а вязкости - 20% (в среднем на

30% меньше ошибки, получаемой при использовании зависимости Энглера для определения вязкости смеси).

Расчетные исследования выполнены для условий сохранения активного хода плунжера (/гпл ак= 1,033 мм), что в процессе эксплуатации рассматривается как отсутствие специальных регулировок при переходе на другое топливо. Расчетные диаграммы изменения давления впрыска по углу поворота кулачкового вала при использовании ДТ, РМ и МЭРМ на режиме с «тн=1200 мин"1 показаны на рисунке 5. Как видно, состав топлива влияет на фазы топливоподачи, т.е. на моменты ее начала и окончания. При увеличении содержания РМ и МЭРМ в смесевом топливе впрыскивание начинается раньше и действительный УОВТ увеличивается. Так, при переходе от ДТ к РМ или МЭРМ момент начала нагнетания ф„ач. становится раньше на 0,4-0,6 град поворота кулачкового вала.

30 35 40 45 30 35 40 45

Угол поворота кулачкового вала, град Угол поворота кулачкового вала, град

а 6

Рисунок 5 - Изменение давления впрыскивания топлива для ДТ и РМ (а), для ДТ и МЭРМ (б) на режиме с лтн=1200 мин"1 и /гпл ак= 1,033 мм; ДТ -тонкая линия; РМ и МЭРМ - толстая линия

Получены зависимости расчетных показателей топливоподачи от состава смесей ДТ с РМ и МЭРМ. Показанные на рисунке 6 характеристики массовой цикловой подачи смесевых биотоплива gц свидетельствуют о том, что при переходе от ДТ к РМ подача топлива gц возросла с 67,6 до 76,0 мг, т.е. на 12 %, а при переходе с ДТ на МЭРМ подача топлива увеличилась с 67,6 до 73,7 мг, т.е. около 10 %. На графиках нанесены экспериментальные значения цикловой подачи, полученные при моторных испытаниях. Расхождение составляет не более 2%, что допустимо для расчетного анализа и подтверждает правомерность принятых зависимостей.

Состав смесевого биотоплива оказывает заметное влияние на давление топлива в линии высокого давления. При расчетах отмечено увеличение максимального и среднего давлений топлива в подыгольной полости форсунки. При переходе от ДТ к РМ и к МЭРМ максимальное давление впрыскивания увеличилось от 49,5 до 57,0 и до 53,5 МПа соответственно. Увеличение содержания РМ и МЭРМ в смесевом топливе сопровождалось

ростом среднего давления впрыска: при переходе от ДТ к РМ оно возросло с 26,2 до 29,8 МПа, а при переходе от ДТ к МЭРМ - до 29,4 МПа.

О 20 40 60 80 Срм,% 0 20 40 60 80 СМЭрМ,%

б а

Рисунок 6 - Расчетная зависимость массовой цикловой подачи топлива от содержания РМ (а) и МЭРМ (б) в смесевом биотопливе на режиме с лт„=1200 мин"1 и Лпл ак= 1,033 мм; ° - результаты эксперимента.

Повышенные давления топлива в линии высокого давления топливной системы, а также ухудшение прокачиваемое™ высоковязкого топлива через топливную систему приводят к повышению нагрузок на привод ТНВД с ростом содержания РМ или МЭРМ в смесевом топливе. Так при переходе от ДТ к РМ максимальный момент прокручивания вала ТНВД А/кул-тах возрос с 61,5 до 73,5 Нм, а при переходе к МЭРМ - до 71,5 Н м.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям дизеля, работающего на многокомпонентных смесевых биотопливах. Для оценки влияния состава этих топлив на показатели двигателя проведены испытания дизеля типа Д-245.12С (4 ЧН 11/12,5) на режимах ВСХ и три-надцатирежимного цикла ЕСЕ Я49 с установочным УОВТ 6=13° поворота коленчатого вала до ВМТ и неизменным положением упора рейки ТНВД.

На первом этапе проведены испытания дизеля Д-245.12С на режимах ВСХ на чистом ДТ, а также на смеси 90% ДТ, 5% РМ и 5% МЭРМ (биотопливо № 1), смеси 80% ДТ, 10% РМ и 10% МЭРМ (биотопливо № 2), и смеси 60% ДТ, 20% РМ и 20% МЭРМ (биотопливо № 3). Из-за пониженной теплотворной способности многокомпонентных биотоплив отмечено увеличение удельного эффективного расхода топлива ge (рисунок 7). В частности при переходе с ДТ на биотоплива №1, №2 и №3 на режиме максимальной мощности с частотой вращения и=2400 мин"1 расход топлива монотонно возрастал от 249,0 до 260,5 г/(кВтч), а на режиме максимального крутящего момента при /7=1500 мин"1 - от 224,3 до 234,8 г/(кВтч). Но снижение эффективного КПД дизеля г\е на этих режимах не превысило 1%, а при работе на биотопливе №3 значение г\е даже несколько повысилось.

При испытаниях дизеля на многокомпонентных топливах отмечено заметное уменьшение дымности ОГ (рисунок 7).

Рисунок 7 - Зависимость эффективной мощности Ne, крутящего момента Ме, расхода топлива GT, коэффициента избытка воздуха а, дымности ОГ Кх и удельного эффективного расхода топлива ge от частоты вращения п коленчатого вала дизеля типа Д-245.12С на режимах внешней скоростной характеристики при использовании различных топлив: 1-ДТ;

2 - смесь 90% ДТ, 5% РМ и 5% МЭРМ (биотопливо № 1);

3 - смесь 80% ДТ, 10% РМ и 10% МЭРМ (биотопливо № 2);

4 - смесь 60% ДТ, 20% РМ и 20% МЭРМ (биотопливо № 3)

1000 1400 1800 2200 П.мин'1

Так, на режиме максимальной мощности при и=2400 мин"1 переход с ДТ на биотоплива №1, №2 и № 3 сопровождался снижением дымности ОГ Кх от 16,0 до 9,0-11,0% по шкале Хартриджа, а на режиме максимального крутящего момента при я=1600 мин"1 - от 23,0 до 9,5-12,5%.

Результаты испытаний дизеля Д-245.12С на режимах тринадцатире-жимного испытательного цикла (рисунок 8) подтвердили влияние многокомпонентных биотоплив на расход топлива GT и на концентрации в ОГ оксидов азота Смох, монооксида углерода Ссо и несгоревших углеводородов Ceux- При переходе на многокомпонентные биотоплива наиболее значимым оказалось снижение выбросов СО и СНХ.

По характеристикам (рисунок 8) рассчитаны интегральные удельные массовые выбросы оксидов азота ехо, монооксида углерода есо, углеводородов еснх на режимах тринадцатирежимного цикла, а также значения удельного эффективного расхода топлива и эффективного КПД. Полученные данные подтверждают возможность улучшения показателей дизеля при его переводе с ДТ на многокомпонентные топлива. Наилучшее сочетание показателей получено при работе на биотопливах №1 и №2.

.1 ,-------2 ----.-3 „---------=-4 ж %

П=2400мин*1 П=1500мин*1 к

у"

П=880мии~ 4

100

СжИО'% 750

Сто.Ю',%

200 а

300 Ме.Нм

500

250

ч. П=1500мин*1

\\ П=880мин'1

,-----.-2 —-4 П=2400мин'1 1=2

750 750

500 500

300 Me,H м Ссо,Ю','/.

250 250

100

200

300 Me,H м 0

А . --1 .------2

Пх2400мин*1

П=880мин"1 П=1500мин''

100

200

500

250

300 M»,H и

в г

Рисунок 8 - Экспериментальные данные GT (а), СКОх (б), Ссо (в), ССНх (г) на различных режимах работы дизеля Д-245.12С и топливах: 1 - ДТ; 2 - смесь 90% ДТ, 5% РМ и 5% МЭРМ; 3 - смесь 80% ДТ, 10% РМ и 10% МЭРМ; 4 - смесь 60% ДТ, 20% РМ и 20% МЭРМ

Так, при работе дизеля на ДТ и биотопливах № 1 и 2 на режимах три-надцатирежимного цикла удельный массовый выброс оксидов азота eNox составил 6,862, 6,875 и 6,662 г/(кВт- ч), выброс монооксида углерода еСо -2,654, 2,489 и 2,496 г/(кВт- ч), выброс углеводородов еСцх - 0,719, 0,687 и 0,677 г/(кВт- ч). Таким образом, перевод дизеля с ДТ на биотопливо №2 сопровождался снижением эмиссии всех нормируемых токсичных компонентов ОГ: оксидов азота - на 2,9%. монооксида углерода - на 6,0%, углеводородов - на 5,8%, дымности ОГ на 30-45%. При этом условный эффективный КПД дизеля г(е 5сл оставался неизменным (г\Сусл=0,342).

В целом, исследования подтвердили возможность получения многокомпонентных биотоплив с заданными свойствами и возможность оптимизации состава таких биотоплив. Однако рассмотренные показатели относятся к тринадцатирежимному циклу дизелей транспортного назначения.

При оптимизации состава многокомпонентных биотоплив для дизелей сельскохозяйственных машин, выполняющих технологические операции, целесообразно использовать предложенный выше четырехрежимный испытательный цикл, более адекватно отражающий распределение режимов работы указанных двигателей. При такой оптимизации необходимо обеспечить наилучшее сочетание показателей топливной экономичности и токсичности ОГ дизеля, работающего на многокомпонентных биотопливах.

При оптимизации состава многокомпонентных биотонлив для дизелей сельскохозяйственных машин использована описанная выше методика оптимизации. Она предусматривает анализ показателей дизеля на режимах четырехрежимного цикла (рисунок 3) с использованием обобщенного критерия J0, минимизируемого при оптимизации. В соответствии с выражением (1) этот обобщенный критерий определялся в виде суммы четырех частных критериев. Каждый из этих критериев имел свой весовой коэффициент, определенный в соответствии с формулой (2). Эти весовые коэффициенты, определенные с использованием ограничений на выбросы вредных веществ, накладываемых нормами EURO-4, оказались равными:

<4= ».О;

«no, =eNOx /^кохпр =6,862/3,5 = 1,96;

асо = есо 1есощ,= 2'654 / !>5 = Ь77;

«снк =^нх /еснх пр =0,719/0,5 = 1,44. (7)

Полученные результаты оптимизационных расчетов состава смесево-го биотоплива для дизеля Д-245.12С показали, что перевод двигателя с нефтяного ДТ на многокомпонентные топлива № 1 и № 2 сопровождался снижением выброса с ОГ оксидов азота (рисунок 9, а). Лишь при работе на биотопливе № 3 выброс оксидов азота остался примерно таким же, как и при работе на нефтяном ДТ. Наилучшие результаты по выбросам оксидов азота получены на биотопливе № 2. Так, при работе дизеля на режимах предложенного четырехрежимного цикла и переходе с нефтяного ДТ на смесь 80% ДТ, 10% РМ и 10% МЭРМ (биотопливо № 2) достигнуто снижение выброса с ОГ оксидов азота — с 6,509 до 6,059 г/(кВт-ч), т.е. на 6,9%. При этом отмечено и максимальное значение условного эффективного КПД дизеля-0,319.

Предложенный выше относительный обобщенный критерий оптимальности J0 ш„ снизился при использовании всех исследуемых топлив по сравнению с нефтяным ДТ. Его наименьшее значение (Ja ОТН=0,920) соответствовало работе дизеля Д-245.12С на смеси 80 % ДТ, 10% РМ и 10% МЭРМ (рисунок 9, б). В этом случае достигнуто улучшение всех рассматриваемых интегральных показателей дизеля на режимах четырехрежимного испытательного цикла: выброс оксидов азота снизился на 6,9%, выброс монооксида углерода - на 10,4%, выброс несгоревших углеводородов - на 11,7%, эффективный КПД возрос на 0,3%.

Лмохо™ Щ 1 [Т] 2 03 Д4 ^ 0 отн В1 ИЗ2 П3 П4

Рисунок 9 - Значения критериев оптимальности 1м0х отн {а) и Отн (б) при работе дизеля Д-245С на исследованных биотопливах и ДТ: 1 - ДТ; 2 -биотопливо № 1; 3 -биотопливо № 2; 4 -биотопливо № 3

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Проведенные расчетные и экспериментальные исследования показали, что применение многокомпонентных смесевых биотоплив на основе растительных масел в автотракторных дизелях, а также использование методик оптимизации их состава и совершенствования процесса топливопо-дачи позволяют значительно улучшить показатели топливной экономичности и токсичности ОГ дизеля. Полученные при исследованиях результаты сводятся к следующим основным выводам и рекомендациям:

1. Разработана методика сравнительного анализа эффективности использования альтернативных топлив в дизельных двигателях сельскохозяйственных машин, учитывающая преимущественные режимы их работы. Показано существенное различие режимов работы дизелей сельскохозяйственных машин, выполняющих технологические операции от распределения режимов двигателей транспортных средств, что необходимо учитывать при анализе их экономических и экологических характеристик.

2. Для сравнительного анализа эффективности использования альтернативных топлив в дизельных двигателях сельскохозяйственных машин предложен четырехрежимный испытательный цикл, включающий четыре нагрузочных режима на номинальной частоте вращения, соответствующих нагрузкам 100%, 75%, 50% и 25% с весовыми коэффициентами этих режимов (доля времени работы на режиме) соответственно 0,1; 0,4; 0,4 и 0,1.

3. Результаты расчетных исследований процесса топливоподачи дизельного двигателя типа Д-245.12С, адаптированные на программном комплексе «Впрыск», при работе на дизельном топливе и смесевых биотопливах на режиме максимальной мощности показали:

- рост давлений впрыскивания при увеличении содержания РМ или МЭРМ в смеси с нефтяным ДТ. На исследованном режиме максимальное давление впрыскивания ДТ составило около 49,5 МПа, МЭРМ - 53,5 МПа, РМ - 57,0 МПа;

- подтвердилась тенденция увеличения объемной и массовой цикловых подач смесевого биотоплива при росте содержания РМ или МЭРМ в смеси с нефтяным ДТ. Так цикловая подача ДТ оказалась равна 67,6 мг, МЭРМ - 73,7 мг (рост 9%), РМ - около 76,0 мг (рост 12%);

- рост доли РМ или МЭРМ в смеси с нефтяным ДТ сопровождался увеличением действительного угла опережения начала подачи топлива. Так впрыскивание МЭРМ и РМ вместо ДТ увеличило угол на 0,4-0,5 град.;

- повышение нагрузок на привод ТНВД при увеличении содержания РМ или МЭРМ в смеси с нефтяным ДТ. Так максимальный крутящий момент на кулачковом валу ТНВД оказался равным при работе на ДТ - 61,5 Нм, при работе на МЭРМ - 71,5 Н м (рост 16%), при работе на РМ - 73,5 Н м (рост 19%), что необходимо учитывать при использовании этих топлив.

4. Разработана методика оптимизации состава многокомпонентных биотоплив для автотракторных дизелей, базирующаяся на использовании обобщенной целевой функции относительных безразмерных показателей топливной экономичности и токсичности ОГ. Оценка топливной экономичности дизеля производилась по эффективному КПД, а токсичности ОГ

- по выбросам оксидов азота, монооксида углерода и несгоревших углеводородов. Апробация методики проведена на режимах предложенного для дизелей сельскохозяйственных машин четырехрежимного цикла.

5. Сравнительные экспериментальные исследования дизеля Д-245.12С на дизельном и многокомпонентных топливах:

- биотопливо № 1 (смесь 90% ДТ, 5% РМ и 5% МЭРМ);

- биотопливо № 2 (смесь 80% ДТ, 10% РМ и 10% МЭРМ);

- биотопливо № 3 (смесь 60% ДТ, 20% РМ и 20% МЭРМ), подтвердили возможность снижения выбросов токсичных компонентов ОГ при их использовании.

6. Наилучшие показатели дизеля, оцененные по разработанным методикам получены с биотопливом №2 (наименьшее значение обобщенного критерия J0 отн=0,920). При этом достигнуто улучшение всех интегральных показателей дизеля на режимах предложенного испытательного цикла для дизелей сельскохозяйственных машин — выброс оксидов азота снизился на 6,9 %, выброс монооксида углерода - на 10,4%, выброс несгоревших углеводородов - на 11,7%, условный эффективный КПД возрос на 0,3%.

7. При исследовании биотоплива № 2 по правилам R 49 (тринадцати-режимный цикл для определения интегральных показателей токсичности ОГ двигателей транспортных машин) получено следующее снижение: оксидов азота - на 2,9%, монооксида углерода - на 6,0%, несгоревших углеводородов - на 5,8%, дымности ОГ на 30-45%. При этом условный эффективный КПД дизеля оставался неизменным (г|с усл=0,342). Эти данные подтверждают необходимость учета особенностей распределения режимов работы двигателей сельскохозяйственных машин при оценке эффективности применения альтернативных топлив.

Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Быковская, Л.И. Использование в дизелях многокомпонентных сме-севых биотоплив [Текст] / В.А. Марков, С.Н. Девянин, Л.И. Быковская II Грузовик. - 2010. - № 5. - С. 41-47.

2. Быковская, Л.И. Рапсовое масло в смеси с дизельным топливом [Текст] / С.Н. Девянин, Л.И. Быковская, В.В. Маркова, В.А Марков // Техника и оборудование для села. - 2010. - № 9. - С. 45-46.

3. Быковская, Л.И. Исследование работы дизеля на многокомпонентных биотопливах [Текст] / В.А. Марков, С.Н. Девянин, Л.И. Быковская // Материалы межотраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития поршневых ДВС», посвященной 80-летию кафедры судовых ДВС и дизельных установок и 120-летию проф. В.А. Ваншей-дта. - С.-Пб.: СПбГМТУ, 2010. - С. 59-63.

4. Быковская, Л.И. Сравнительный анализ показателей дизеля при его работе на смесях дизельного топлива с рапсовым и подсолнечным маслом [Текст] / С.Н. Девянин, Л.И. Быковская В.В. Маркова // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Машиностроение. - 2010. - № 3. - С. 125. (Тезисы доклада на ВНТС в МГТУ им. Н.Э. Баумана).

5. Быковская, Л.И. Использование рапсового масла в топливах для дизелей [Текст] / С.Н. Девянин, В.А. Марков, Л.И. Быковская, В.В. Маркова // Транспорт на альтернативном топливе. - 2011. - № 2. - С. 48-50.

6. Быковская, Л.И. Молекулярный и жирнокислотный состав биодизельных топлив, получаемых из растительных масел [Текст] / В.А. Марков, С.А. Нагорнов, С.Н. Девянин, Л.И. Быковская // Грузовик. - 2011. - № 10. -С. 31-38.

7. Быковская, Л.И. Метод оценки экологических показателей дизельных двигателей, работающих на различных топливах [Текст] / С.Н. Девянин, Л.И. Быковская, В.В. Маркова // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Машиностроение. - 2011. - № 4. - С. 124. (Тезисы доклада на ВНТС в МГТУ им. Н.Э. Баумана).

8. Быковская, Л.И. Кукурузное масло - экологическая добавка к дизельному топливу [Текст] / В.А. Марков, С.Н. Девянин, A.B. Стремяков, К.С. Мизев, Л.И. Быковская, В.В. Маркова // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Машиностроение. - 2012. - № 3. - С. 123. (Тезисы доклада на ВНТС в МГТУ им. Н.Э. Баумана).

Подписано в печать: 01.10.2013 Объём: 1 п. л. Тираж: 100 экз. Заказ № 432 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, ул. Бауманская, д. 33, стр. 1 +7(495)979-98-99, www.reglet.ru

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРОИНЖЕНЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. В.П. Горячкина

На правах рукописи УДК 621.436

04201362958

Быковская Лариса Игоревна

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ БИОТОПЛИВ В ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН

05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор С.Н. Девянин

Москва - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................................6

1. ВИДЫ БИОТОПЛИВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В ДИЗЕЛЯХ, И ИХ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

1.1. Преимущества и перспективы использования биотоплив

в двигателях внутреннего сгорания................................................................13

1.2. Виды биотоплив, используемых в двигателях внутреннего сгорания..............................................................................................................20

1.3. Физико-химические свойства биотоплив на основе растительных масел и нефтяного дизельного топлива..........................................................24

1.4. Особенности работы дизельных двигателей на биотопливах на основе растительных масел.........................................................................................38

1.5. Цель работы и задачи исследования........................................................45

2. ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СМЕСЕВЫХ БИОТОПЛИВ ДЛЯ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН

2.1. Режимы работы дизельных двигателей и испытательные циклы для

оценки токсичности их отработавших газов.................................................48

2.2. Распределения режимов работы дизельных двигателей различного назначения в условиях эксплуатации.............................................................59

2.3. Свойства многокомпонентных биотоплив и оценка токсичности отработавших газов дизелей, работающих на этих биотопливах................69

2.4. Методика оптимизации состава многокомпонентных смесевых

биотоплив для дизельных двигателей сельскохозяйственных машин.......76

Основные результаты и выводы по второй главе..........................................85

3. РАСЧЕТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ТОПЛИВОПОДАЧИ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ, РАБОТАЮЩЕГО НА СМЕСЕВЫХ БИОТОПЛИВАХ

3.1. Методики расчета процесса топливоподачи дизельных двигателей и

основных характеристик многокомпонентных топлив................................88

3.1.1. Расчет основных характеристик многокомпонентных топлив..........88

3.1.2. Методики расчета процесса топливоподачи дизельных двигателей........................................................................................................102

3.2. Расчет процесса топливоподачи дизеля, работающего на смесях дизельного топлива и рапсового масла........................................................118

3.3. Расчет процесса топливоподачи дизеля, работающего на смесях

дизельного топлива и метилового эфира рапсового масла........................131

Основные результаты и выводы по третьей главе......................................140

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИЗЕЛЯ, РАБОТАЮЩЕГО НА МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СМЕСЕВЫХ БИОТОПЛИВАХ

4.1. Проблемы использования растительных масел в качестве топлива

для дизелей......................................................................................................142

4.2. Экспериментальные исследования дизеля, работающего на многокомпонентных смесевых топливах.....................................................148

4.3. Оптимизация состава многокомпонентных биотоплив для

дизелей сельскохозяйственных машин.........................................................158

Основные результаты и выводы по четвертой главе..................................163

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................165

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................168

ПРИЛОЖЕНИЕ.............................................................................................181

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

ВМТ, НМТ- верхняя и нижняя мертвые точки;

ДТ - дизельное топливо;

КПД - коэффициент полезного действия;

КС - камера сгорания;

ОГ - отработавшие газы;

МЭРМ - метиловый эфир рапсового масла;

ПДК - предельная допустимая концентрация;

ПЗВ, t¡ - период задержки воспламенения;

п.к.в. - поворот коленчатого вала двигателя;

РМ - рапсовое масло;

САР - система автоматического регулирования; ТНВД - топливный насос высокого давления; УОВТ, 0 - угол опережения впрыскивания топлива; ЦПТ - цикловая подача топлива; ЦЧ - цетановое число;

NOx, СО, СНХ, С, Кх - оксиды азота, монооксид углерода, углеводороды, сажа, дымность ОГ;

Cnox» Ссо> Сснх> Стч ~ объемные концентрации в ОГ оксидов азота, монооксида углерода, углеводородов, твердых частиц;

Енох, Eco, ЕСнх» Етч - массовые выбросы оксидов азота, монооксида углерода, углеводородов, твердых частиц;

Cnox, еСо, еСнх, етч ~ удельные массовые выбросы оксидов азота, монооксида углерода, углеводородов, твердых частиц; GT - часовой расход топлива;

ge? ge уел - удельный эффективный расход топлива; условный удельный эффективный расход топлива;

СРМ - объемная концентрация рапсового масла (растительного масла) в сме-севом биотопливе;

dp - диаметр распиливающего отверстия;

hp - положение дозирующей рейки ТНВД;

L - длина струи распыливаемого топлива;

п> птн - частоты вращения двигателя и топливного насоса;

Ne, Ме - эффективная мощность двигателя и эффективный крутящий момент;

ра - давление начала сжатия;

р, - максимальное давление сгорания;

q„ - цикловая подача топлива;

Рф0 - давление начала подъема иглы форсунки;

Jo, J0 охн - обобщенный критерий оптимальности, относительный обобщенный критерий оптимальности;

J r|e? jGt> Jnox> Jco5 Jchx — частные критерии оптимальности по эффективному КПД, часовому расходу топлива, выбросам оксидов азота, монооксида углерода, углеводородам;

апе, aor, aNOx, аСо, аСнх - весовые коэффициенты частных критериев оптимальности по соответствующим параметрам; а - коэффициент избытка воздуха; рэ - эффективный угол раскрытия струи; рт - плотность топлива; vx - вязкость топлива; ат - коэффициент сжимаемости топлива; ат - коэффициент поверхностного натяжения топлива; Tie, Лсусл - эффективный КПД дизеля, условный эффективный КПД; jLipfp - эффективная площадь распылителя в сборе.

ВВЕДЕНИЕ

Одной из наиболее актуальных проблем современного двигателестрое-ния является проблема поиска моторных топлив, которые смогут успешно заменить традиционные бензин и дизельное топливо. Это обусловлено как постепенным истощением нефтяных месторождений, так и непрерывным повышением цен на нефть и нефтепродукты. По пессимистичным прогнозам организации стран - экспортеров нефти (ОПЕК) запасы нефти в промыш-ленно развитых странах иссякнут уже в ближайшем будущем. В России разведанных запасов нефти хватит до 2025-30 гг., а запасов газа-до 2085-95 гг. Мировые цены на нефть практически непрерывно повышаются, и прогнозируется их дальнейший рост. В этих условиях использование в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве, других секторах экономики России топлив ненефтяного происхождения (альтернативных топлив) становится не только необходимым, но и экономически оправданным.

В последние годы повышенный интерес проявляется к топливам, получаемым из возобновляемых энергетических ресурсов растительного происхождения, сырьевые запасы которых практически неограничены. В первую очередь - это биотоплива, производимые из растительных масел. Цена этих топлив соизмерима с ценой топлив нефтяного происхождения, а в ряде случаев -даже ниже цен на традиционные моторные топлива.

Применительно к условиям европейской части России наиболее перспективными представляются топлива на основе рапсового масла. Рапс отличается сравнительно неплохой урожайностью и с агрономической точки зрения рапс является желательной культурой для улучшения севооборота (он улучшает структуру и плодородие почвы). Получаемый при отжиме растительных масел жмых (шрот) является ценным белковым продуктом, который может быть использован для откорма крупного рогатого скота и других жи-

вотных. С одного гектара посевов рапса можно получить до 3 т маслосемян (до 1 т рапсового масла), до 3,5 т соломы, до 2 т жмыха.

Использование биотоплив на базе рапсового масла позволит не только заместить нефтяные моторные топлива альтернативными, но и улучшить показатели токсичности отработавших газов (ОГ). При работе дизельных двигателей на биотопливах, как правило, отмечается заметное уменьшение эмиссии токсичных компонентов ОГ. В первую очередь это относится к дымности ОГ и выбросам других продуктов неполного сгорания топлива, которые при использовании биотоплив снижаются в 1,5-2 раза. Кроме того, использование топлив растительного происхождения обеспечивает кругооборот углекислого газа в атмосфере, поскольку при сжигании биотоплив в двигателях внутреннего сгорания в атмосферу выбрасывается примерно такое же количество углекислого газа, которое поглощается в процессе выращивания сырья для производства биотоплива. Это приводит к уменьшению выброса в атмосферу парниковых газов, и предотвращению парникового эффекта, способствующего глобальному потеплению и возникновению различных природных аномалий.

Следует отметить, что по своим физико-химическим свойствам биотоплива ближе к дизельным топливам, чем к бензинам: они имеют сравнительно высокие плотность и вязкость, плохую испаряемость. Поэтому их использование возможно лишь в дизельных двигателях, отличающихся меньшей чувствительностью к свойствам применяемого топлива. К тому же, дизельные двигатели, работающие с большой степенью сжатия и повышенными значениями коэффициента избытка воздуха, характеризуются лучшими показателями топливной экономичности и токсичности ОГ.

Вместе с тем, биотоплива имеют физико-химические свойства, отличающиеся от свойств традиционного дизельного топлива. Поэтому при переводе двигателей, изначально адаптированных к работе на дизельном то пли-

ве, на биотоплива, возникает ряд проблем, связанных с организацией рабочих процессов, в первую очередь — процессов топливоподачи, распыливания топлива, смесеобразования и сгорания. При этом возможно нарушение исходных регулировок двигателя, ухудшение ряда эксплуатационных показателей дизельных двигателей, увеличение износа деталей двигателей и уменьшение ресурса их работы. Поэтому необходима адаптация двигателей к работе на этом виде топлива. Одним из эффективных путей адаптация двигателей к работе на биотопливах является применение смесевых биотоплив -смесей дизельного топлива и рапсового масла. Наибольшего приближения свойств биотоплив к свойствам нефтяного дизельного топлива можно достичь путем использования многокомпонентных биотоплив. При этом удается обеспечить улучшенные показатели топливной экономичности и токсичности ОГ.

Диссертационная работа посвящена проблемам улучшения показателей топливной экономичности и токсичности ОГ автотракторного дизельного двигателя при использовании многокомпонентных смесевых биотоплив.

В работе проведен сравнительный анализ видов биотоплив, используемых в двигателях внутреннего сгорания, а также физико-химических свойств биотоплив на основе растительных масел. Рассмотрены особенности работы дизельных двигателей на биотопливах на основе растительных масел. Проведен сравнительный анализ распределений режимов работы дизельных двигателей транспортного и автотракторного назначения и испытательных циклов для оценки токсичности их отработавших газов. Разработана методика оптимизации состава многокомпонентных смесевых биотоплив для дизельных двигателей сельскохозяйственных машин. Проведена адаптация методики расчета процесса топливоподачи дизельных двигателей применительно к многокомпонентным смесевым биотопливам. Проведены расчетные исследования процесса топливоподачи дизеля, работающего на смесях дизельного

топлива с рапсовым маслом и метиловым эфиром рапсового масла. Экспериментально исследован дизель, работающий на многокомпонентных смесе-вых топливах - смесях дизельного топлива с рапсовым маслом и метиловым эфиром рапсового масла. Проведены оптимизационные расчеты состава многокомпонентных биотоплив для дизелей сельскохозяйственных машин.

Актуальность диссертационной работы обусловлена необходимостью удовлетворения жестких требований к показателям топливной экономичности и токсичности ОГ дизелей, в том числе и для сельхозмашин. Эти показатели в значительной степени зависят от характера протекания процессов распыливания топлива и смесеобразования, которые в большой мере определяются свойствами топлив. Особенно остро эта проблема стоит в дизелях, работающих на биотопливах на основе растительных масел, поскольку эти топлива отличаются от нефтяных топлив худшей испаряемостью, более тяжелым фракционным составом, повышенными плотностью, вязкостью, поверхностным натяжением. Эта проблема может быть решена путем разработки многокомпонентных смесевых топлив, но при этом необходима оптимизация их состава, которая должна проводиться с учетом целого комплекса показателей. Использование многокомпонентных смесевых биотоплив на основе растительных масел в сочетании с оптимизацией их состава позволит достичь требуемых показателей топливной экономичности и токсичности ОГ дизелей сельхозмашин.

Цель работы: Обосновать и экспериментально подтвердить эффективность применения многокомпонентных биотоплив в дизельных двигателях сельскохозяйственных машин.

Методы исследований. Поставленная в работе цель достигается сочетанием теоретических и экспериментальных методов исследования. С помощью теоретических методов проведена оценка экологических показателей различных топлив. Экспериментальная часть работы заключалась в опреде-

лемии показателей дизеля, работающего на многокомпонентных смесевых биотопливах.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана методика оптимизации состава многокомпонентных смесевых биотоплив для дизельных двигателей сельскохозяйственных машин, заключающаяся в использовании предложенного четырехрежимного испытательного цикла и уточненного обобщенного критерия оптимальности.

- проведена адаптация методики расчета процесса топливоподачи дизельных двигателей применительно к многокомпонентным смесевым био-топливам.

- в сравнительных экспериментальных исследованиях подтверждены преимущества многокомпонентных смесевых биотоплив на основе рапсового масла перед нефтяным дизельным топливом.

Достоверность и обоснованность научных положений определяются:

- использованием современных методик оптимизации состава смесевого биотоплива и параметров дизельного двигателя;

- использованием современных методик расчета процесса топливоподачи дизеля;

- совпадением результатов расчетных и экспериментальных исследований, полученных при испытаниях на развернутом двигателе.

Практическая ценность состоит в том, что:

- разработанная методика сравнительной оценки различных топлив позволяет определить оптимальный состав смесевых биотоплив, обеспечивающий благоприятное сочетание показателей топливной экономичности и токсичности отработавших газов дизельного двигателя сельскохозяйственной машины, выполняющей основные технологические операции;

- методика расчета процесса топливоподачи, адаптированная для дизеля, позволяет оценить особенности этого процесса в дизелях, работающих на многокомпонентных биотопливах;

- проведенные экспериментальные исследования дизеля, работающего на многокомпонентных биотопливах, подтвердили эффективность использования этих топлив в отечественных дизельных двигателях сельхозмашин.

Реализация результатов работы. Работа проводилась в соответствии с планами госбюджетных и хоздоговорных работ кафедры «Тракторы и автомобили МГАУ им. В.П. Горячкина. Результаты исследований внедрены во Всероссийском научно-исследовательском институте использования техники и нефтепродуктов Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии) и в ЗАО «Ногинский завод топливной аппаратуры».

Апробация работы:

Диссертационная работа заслушана и одобрена на заседании кафедры «Тракторы и автомобили» в МГАУ им. В.П. Горячкина в 2013 г.

По основным разделам диссертационной работы были сделаны доклады:

- на межотраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития поршневых ДВС», посвященной 80-летию кафедры судовых ДВС и дизельных установок СПбГМТУ и 120-летию проф. В.А. Ван-шейдта, 18 ноября 2010 г., Санкт-Петербург, СПбГМТУ;

- на научно-практическом семинаре «Чтения В.Н. Болтинского», 20-21 января 2010 г. и 22-23 января 2013 г., Москва, МГАУ им. В.П. Горячкина;

- на международной научно-практической конференции «Трибология и экология (наука, образование, практика)», 22-23 апреля 2010 г., Москва, МГАУ им. В.П. Горячкина;

- на Всероссийском научно техническом семинаре (ВНТС) им. проф. В.И. Крутова по автоматическому управлению и регулированию теплоэнергетических установок при кафедре «Теплофизика» (Э-6) МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2010, 2011,