автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Повышение экономичности и снижение вредных выбросов дизеля при работе на рапсовом масле

На правах рукописи

Мысник Максим Иванович

ПОВЫШЕНИЕ ЭКОНОМИЧНОСТИ И СНИЖЕНИЕ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ ДИЗЕЛЯ ПРИ РАБОТЕ НА РАПСОВОМ МАСЛЕ

05.04.02 - тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

I I паР 2015

005560483

Барнаул-2015

005560483

Работа выполнена в ФГЪОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» (АлтГТУ).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Свистула Андрей Евгеньевич.

Официальные оппоненты:

Кукис Владимир Самойлович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет), ведущий эксперт кафедры «Колесные, гусеничные машины и автомобили»;

Титов Сергей Владиленович, кандвдат технических наук, доцент, ФГБОУ ВО «Сибирский государственный университет водного транспорта», доцент кафедры «Судовые двигатели внутреннего сгорания».

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный аграрный университет», г. Новосибирск.

Защита состагтся « 24 » апреля 2015 г. в 14:30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.004.03 при ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова», 656038, г. Барнаул, пр.Ленина 46, АлтГТУ (тел/факс (3852) 29-87-22; E-mail: D21200403@mail.ru).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью Вашего учреждения, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан » февраля 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандвдат технических наук, доцент

С.П. Кулманаков

Общая характеристика работы

Актуальность работы. В связи с ужесточающимися экологическими требованиями в условиях сложившегося экономического кризиса и непредсказуемости цен на энергоресурсы под влиянием политических процессов все более актуальным становится поиск альтернативы нефтяному топливу. Одним га решений этой проблемы является использование топлив растительного происхождения, к которым можно отнести растительные масла, а именно рапсовое масло (РМ). Непосредственному использованию РМ в дизеле мешает высокая вязкость, препятствующая обеспечению требуемой дисперсности распыленной струи, испаряемости топлива в процессе смесеобразования и др. Одним га путей улучшения показателей экономичности и токсичности дизелей является снижение неоднородности топливовоздушной смеси (ТВС) в камере сгорания (КС). В известной мере это может быть реалгаовано за счет применения топливной аппаратуры (ТА) повышенного давления типа Common Rail (CR) и ступенчатого или дробного впрыска. Применение дробного (многоступенчатого) впрыска позволяет сократить задержку воспламенения, а также, в той или иной мере, разрушить переобогащенные топливом фронтальную и центральную часть распыленной струи РМ. Таким образом, совершенствование рабочего процесса (РП) дизеля, работающего на РМ, путем улучшения топливоподачи и смесеобразования является актуальной задачей.

Степень разработанности: по результатам выполненной работы разработаны рекомендации для повышения экономических и экологических параметров работы дизеля на РМ с применением ТА CR. Определены зависимости показателей структуры, динамики распыленной топливной струи от параметров впрыска РМ. В ходе эксперимента дана оценка влиянию дробного впрыска на параметры рабочего цикла, экономических и экологических показателей дизеля, выполнен анализ индикаторного КПД. Численным исследованием определены рекомендуемые регулировочные параметры топливоподачи РМ.

Гипотеза исследования. Применение повышенного давления и дробного впрыска РМ позволит решить проблему, связанную с высокой вязкостью и некачественным смесеобразованием, тем самым снизить вероятность появления во фронтальной н центральной части распыленной струи зон, переобо-гащённых топливом, повысить экономичность, уменьшить содержание вредных выбросов в ОГ.

Цели и задачи исследования: повышение экономичности и снижение вредных выбросов дизеля при работе на РМ применением повышенного давления топливоподачи и дробного впрыска топлива.

Для достижения цели необходимо решить следующие основные задачи:

- оценить на безмоторном стенде динамику и структуру распыленной топливной струи РМ для системы повышенного давления типа СЯ, в т.ч. при использовании дробного впрыска;

- оценить параметры рабочего процесса, индикаторного к.п.д., вредные выбросы дизеля, работающего на РМ с ТА повышенного давления типа СЛ, в т.ч. при использовании дробного впрыска, в сравнении с топливной аппаратурой непосредственного действия (ТАНД);

- методами математического моделирования провести численное исследование, и определить регулировочные параметры дизеля с ТА повышенного давления типа СИ при использовании дробного впрыска с учетом заданных ограничений топливной экономичности и токсичности ОГ. Разработать рекомендации по использованию РМ в дизелях с ТА повышенного давления типа СЯ и реализации дробного впрыска.

Научной новизной и выносимыми на защиту положениями являются:

- экспериментально полученные зависимости показателей оптической плотности, структуры и динамики распыленной топливной струи РМ при использовании ТА повышенного давления типа СЯ и дробного впрыска;

- расчетно-экспериментальные зависимости показателей рабочего процесса, тепловыделения, индикаторного КПД, вредных выбросов дизеля при работе на РМ с использованием ТА повышенного давления типа СИ и дробного впрыска;

- результаты численного моделирования параметров дизеля, таких как УОВТ, диаметр сопловых отверстий распылителя и максимального давления впрыска РМ с учетом ограничения показателей топливной экономичности и токсичности ОГ при использовании ТА повышенного давления типа СЛ и дробного впрыска.

Теоретическая и практическая значимость работы состоит в том, что проведенные исследования позволили получить зависимости показателей структуры и динамики распыленной топливной струи, рабочего процесса, вредных выбросов от параметров впрыска РМ и сформулировать практические рекомендации по выбору характеристики топливоподачи, углов опережения впрыска (УОВТ) при работе на РМ с учетом показателей топливной экономичности и токсичности ОГ. Разработана опытная система подачи альтернативных топлив и форсунка, позволяющая повысить надежность при высоких давлениях впрыска топлив, уменьшить габариты форсунки, защищенные патентом на полезную модель.

Личный вклад автора заключается в анализе ранее выполненных работ по теме исследования, постановке задач и разработке методик проведения теоретических и экспериментальных исследований; в проведении сравнительных безмоторных исследований структуры и динамики струи РМ, моторных исследований дизеля с опытной ТА, обработке и анализе полученных

результатов; проведении численных исследовании рабочего процесса дизеля на РМ с использованием программного комплекса «ДИЗЕЛЬ-РК»; разработке выводов и рекомендаций.

Методология и методы исследования. В работе поставленная цель достигается сочетанием экспериментальных и теоретических методов исследования. Исследования проведены с использованием апробированных методов исследования динамики распыленных топливных струй, теории поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и математического моделирования.

Объектом исследования является структура, динамика распыленной струи и рабочий процесс дизеля с ТАНД и ТА CR при его работе на РМ.

Предметом исследования является зависимость структуры, динамики распыленной струи, процессов смесеобразования, сгорания и тепловыделения, экологических параметров дизеля при работе на РМ от давления и характеристики топливоподачи.

Степень достоверности полученных результатов обеспечивалась использованием современных методик сбора и обработки исходной информации, а также представительными выборочными совокупностями с обоснованием выбора оценочных показателей для наблюдения и измерения; применением апробированных методик и стендовых испытаний дизеля, соответствующих государственным стандартам; установлением качественного совпадения авторских результатов с результатами, представленными в независимых источниках по данной тематике; удовлетворительным совпадением расчётных результатов с данными, полученными экспериментально.

Апробация результатов работы. Основные результаты представлены на XI Всероссийском научно-техническом семинаре «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (г. Томск 2009); научно-технической конференции студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава Алтайского государственного технического университета (г. Барнаул, 20102014); конференции с международным участием «VIII Всероссийский семинар вузов по теплофизике и энергетике» (Екатеринбург, 12-14 ноября 2013 г.); международной научно-практической конференции «Альтернативные источники энергии на автомобильном транспорте: проблемы и перспективы рационального использования» (Воронеж, ВГЛТА, 20-21 марта 2014 г.); научно-практической конференции 6-е и 7-е Луканинские чтения (Москва, МАДИ, 2013,2015).

Реализация результатов. Материалы диссертации переданы для использования ЗАО УК «Алтайский завод прецизионных изделий» (г. Барнаул), ОАО «Алтайский моторный завод» (г. Барнаул), ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова».

Связь работы с научными программами. Диссертация выполнялась в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной Рос-

сии» на 2009-2013 годы (Государственный контракт № 02.740.11.0075 от 15.06.2009 г. «Обеспечение высокоэффективных процессов смесеобразования и сгорания в дизелях, работающих на традиционных и биотопливах, с использованием системы CR повышенного давления»).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 6 - в изданиях, рекомендованных ВАК, получено 2 патента на полезную модель.

Объем и содержание работы. Диссертация содержит 133 страницы основного текста, 46 рисунков, 9 таблиц и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение посвящено обоснованию актуальности темы диссертации, её научной новизне и области практического использования полученных результатов. В нём излагаются цель, задачи и основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу теплофизических и моторных свойств альтернативных топлив из возобновляемых источников. Данной проблематике посвящены работы известных исследователей Камфера Г.М., Грехова A.B., Лиханова В.А., Васильева И.П., Вагнера В.А., Митусовой Т.Н., Шашева A.B., Kruggel О., Hansen A., Makareviciene V. и др. Проведен анализ особенностей рабочего процесса, конструктивных решений, регулировочных параметров КС и ТА для РМ и других топлив растительного происхождения. Исследованиям процесса распыливания топлива в условиях камер сгорания и атмосферных условиях посвящены работы Астахова И.В., Витмана Л.А., Ку-тового В.А., Лышевского A.C., Разлейцева В.Н., Трусова В.И., Шароглазова Б.А., Еськова A.B. и др. Рассмотрены возможности повышенного давления, многоступенчатого или дробного впрыска для улучшения рабочего процесса. Дано обоснование использования программного комплекса «Дизель PK» для численного исследования и доводки рабочего процесса дизеля на РМ. Проведенный анализ показал, что недостаточно исследованы особенности динамики распыленной струи РМ и связанные с этим возможности совершенствования смесеобразования и рабочего процесса. В итоге сформулированы цель и задачи настоящего исследования.

Вторая глава посвящена безмоторным исследованиям динамики распыленной топливной струи РМ оптическим методом, сущность которого заключается в определении динамики и структуры струи распыленного РМ по изменению оптической плотности струи. С использованием метода пороговой сегментации (разделения изображения на передний план и фон) изображение струи разбивается по яркости на шесть зон. Яркостные зоны характеризуют интенсивность проходящего излучения, которое определяется оптической плотностью или концентрацией капель в зонах топливной струи. В

первой зоне с высокой концентрацией капель топлива в результате уменьшения светового потока будет получена меньшая яркость, и, наоборот, в шестой зоне с малой концентрацией капель топлива - наибольшая яркость. Остальные зоны являются промежуточными. По частоте съёмки и координатам фронта струи определяется её скорость. Схема стенда приведена на рисунке 1.

Датчик углового положения (1) подает импульс на блок управления (4), открывая электрический клапан форсунки высокого давления (6). В этот момент топливо из рампы (5) поступает в распылитель, и в процессе впрыска топливная струя (8) движется вдоль поверхности экрана (7), с внутренней стороны которого расположен источник света (3).

Импульс от блока управления (4) одновременно поступает на блок синхронизации (2) цифровой высокоскоростной видеокамеры «Видео CnpiiHT/G6» (9) с платой контроллера (11). Видеосигнал обрабатывается платой аналого-цифрового преобразования

(АЦП) ЛА 1,5 PCI (12) и передается в компьютер (10).

Для испытания выбрана ТА повышенного давления впрыска CR, обеспечивающая давление до 180 МПа и возможность осуществления моно- (впрыск единичной порцией топлива) и дробного впрыска (впрыск нескольких порций топлива, следующих друг за другом). Цикловая подача и скоростной режим соответствовали номинальному режиму работы двигателя («=1750 мин"1 при Р,= 1,3 МПа). Исследования проведены для давлений 80, 120 и 160 МПа при моно- и дробном впрыске (<7,,=115 мг/ц).

Исследование структуры и динамики распыленной струи РМ. На

рисунке 2 приведены графики изменения площади шести яркостных зон с течением времени, которые нормированы к площади всей струи, в диапазоне яркости от 0 до 180 градаций аналого-цифрового преобразования (АЦП).

Увеличение давления в рампе от 80 до 160 МПа при единичном или моновпрыске (рисунок 2) приводит к росту примерно на 50% суммарной площади четвертой и пятой яркостных зон струи с менее плотной структурой, не переобогащенных топливом, с более мелкой дисперсностью капель. При дробном впрыске отчетливо видно два пика образования светлых зон 4-6, не переобогащенных топливом, соответствующих распыливанию первичной и основной порции. Образование яркостных зон распыливания основной порции смещается в позднюю сторону, но при этом примерно вдвое увеличивается площадь светлых зон 4, 5 по сравнению с моновпрыском топлива, а темные зоны 1-3 с переуплотненной структурой практически не проявляются, из

Рисунок 1 - Схема стенда скоростной видеосъемки для определения динамики, скорости и длины струи распыленного топлива

чего следует заключение об улучшении качества струйного смесеобразования при росте давления и дробном впрыске.

=8=в=г»

Время, с

а) моновпрыск - 80МПа

б) дробный впрыск - 80МПа

0,002 0,003

Время, с

д) моновпрыск - 1 бОМПа е) дробный впрыск - 1 бОМПа

Рисунок 2 - Исследование структуры и динамики распыленной струи РМ

С ростом массы предварительно впрыснутого топлива от 5 до 10 % равномерность оптической плотности струи снижается, и растет дальнобойность, что создает возможность попадания большей доли топлива на стенки

г) дробный впрыск - 120МПа

в) моновпрыск - 120МПа

0,001 0.002 0,003

а) моновпрыск 80МПа

V, м/с

Чц» 8\

б) дробный впрыск 80МПа

камеры сгорания и нарушает заданное соотношение объемности и пленочно-сти.

Исследование скорости фронта струи распыленного РМ.

С ростом давления впрыска РМ (рисунок 3) при моновпрыске наблюдается увеличение начальной и максимальной величины скорости фронта струи примерно на 70 и 30 % соответственно при сокращении времени ее распространения и более резком снижении скорости на заключительном этапе.

Повышенное давление ведет к более быстрому торможению скорости фронта струи впрыснутого топлива за счет улучшенной мелкости распыливания и уменьшения переуплотнения топливом центральной и фронтальной части струи. При использовании дробного впрыска происходит незначительный рост начальной скорости фронта струи распыленного топлива и уменьшение ее максимальной величины примерно на 50-60%. Виден пик скорости фронта основной порции, величина его меньше, чем при моновпрыске. Заметно резкое снижение скорости фронта на заключительном этапе по причине дополнительного уменьшения пере-о о,оо1 о.оо2 о.ооз ;,«» уплотненных топливом зон д) моновпрыск е) дробный впрыск струи с росхом давления 160МПа 160МПа также увеличивается началь-

Рисунок 3 - Исследование скорости фронта ная скорость фр0Нта топли-струи распыленного РМ ва> а на заключительном эта-

пе падение скорости фронта становится более резким.

Итак, дробный впрыск позволяет снизить вероятность образования зон, переобедненных и переобогащенных топливом, улучшить дробление впрыснутого топлива, а значит качество смесеобразования и снизить скорость фронта основной порции, что приводит к уменьшению дальнобойности и

"■"1ч,

\3

*\

•к.,.,

в) моновпрыск 120МПа

О 0,001 0,00! 0,003

г) дробный впрыск 120МПа

»,И/С

*

* N

Чч,:-.

V, м/с

Н-

g¡, г/кВт/ч

225

А"- íir^r^z. в*.?--* —а

вероятности попадания топлива на стенки КС. а значит к увеличению доли объемного смесеобразования,

В третьей главе приведено описание экспериментальной установки, методика проведения исследований, анализ погрешностей измерений, результаты моторного эксперимента, подтверждающие эффективность РП при повышенном давлении и дробном впрыске РМ.

Моторные исследования проводились на одноцилиндровой установке тракторного двигателя размерностью 13/14 с камерой сгорания типа ЯМЗ. Установка дополнительно оснащена опытной системой ТАНД с возможностью подогрева и подачи смесевых топлив и ТА типа CR с опытной форсункой с уменьшенными габаритами и повышенной надежностью при работе на высоких давлениях, которые защищены патентами на полезную модель. В основу методики исследований положен сравнительный метод. Требовалось оценить параметры рабочего процесса, индикаторного к.п.д. и вредных выбросов дизеля, работающего на РМ с ТА повышенного давления типа CR при моно- и дробном впрыске в сравнении с ТАНД.

В результате предварительно проведенных регулировочных испытаний при я=1750 мин"1 опытным путем определены УОВТ, давление СРвпр), степень сжатия (е) для каждой исследуемой ТА. Для ТАНД: УОВТ = 23° п.к.в., Рф=27 МПа, е=16; для CR: моновпрыск УОВТ = 16° п.к.в., давление в рампе Ртр=150 МПа, е=15; для CR дробный впрыск УОВТпред = 16° п.к.в., УОВТосн = 6.° п.к.в., давление в рампе Рв„р=150 МПа, е=15.

На основе сопоставления графиков на рисунке 4 видно, что с переходом от ТАНД на ТА CR (моновпрыск) снижается удельный индикаторный расход g¡ РМ в среднем на 7г/(кВт ч) по причине уменьшения времени подачи, более мелкого рас-пыливания, лучшего смесеобразования.

С применением дробного впрыска на режимах малой и средней нагрузки виден рост g¡ по сравнению с ТА CR (моновпрыск), на частичных режимах преимуществ наличия дробного впрыска практически не наблюдается. На режиме максимальной нагрузки g¡ для ТА CR с дробным впрыском уменьшается по сравнению с ТА CR (моно-

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

—ТАНД; - -СД; —CR дробный впрыск

Рисунок 4 - Изменение gi, Рг, Тта, и с1Р/с1(ртах по нагрузочной характеристике при «=1750 мин"1

„C O, N<)\, [)|)Ш

Тог, °С

впрыск), т.к. применение дробного впрыска дает сокращение подачи основной порции топлива, впрыск которой происходит в очаг пламени первой порции, тем самым, интенсифицируя и снижая продолжительность горения основной порции.

С переходом от ТАНД на ТА С Я (моновпрыск) виден рост максимальной температуры Ттах в среднем на 300°С и давления Р2 в среднем на 2 МПа, а также жесткости с!Р/с/<ртах примерно на 1 МПа/град, что составляет соответственно 22,5 % и 21,6%. Применение дробного впрыска в ТА СЯ дает незначительное снижение этих параметров.

Как видно из графиков на рисунке 5, величина выбросов СО при переходе от ТАНД к ТА СК (моновпрыск) уменьшается в среднем на 60-90 ррт. С применением в ТА С'К дробного впрыска также происходит незначительное уменьшение выбросов по отношению к той же системе СИ (моновпрыск) примерно на \0 ррт по причине интенсификации процесса сгорания.

Величина выбросов Л/Од с применением ТА СЯ (моновпрыск) резко увеличивается в среднем на 350-400 ррт, применение дробного впрыска на ТА СЯ дает незначительный рост, примерно на 50 ррт по отношению к той же ТА СЯ (моновпрыск). Для снижения NОх следует рекомендовать корректировку УОВТ.

Наблюдается незначительный рост температуры ОГ Го г при переходе от ТАНД к ТА СЯ (моновпрыск) примерно на 10°С, применение в ТА СЯ дробного впрыска дает снижение показаний в среднем на 3-

—ТАНД; - -СЯ; —СЯ дробный впрыск Рисунок 5 - Выбросы СО, NОх, дым-ность и 7ог по нагрузочной характеристике при п=1750 мин"1

5"С. Изменение показаний выбросов NO, и Тог можно объяснить увеличением максимальной температуры и давления цикла для ТА CR.

При работе двигателя с ТАНД на режиме максимальной нагрузки из-за снижения качества смесеобразования (наличие переобогащения), величина дымности значительно возрастает по отношению к режиму средней нагрузки и составляет 0,5 ед. Bosch. При переходе от ТАНД к ТА CR (моновпрыск) величина дымности на тех же режимах значительно меньше. Применение дробного впрыска дает равномерность показаний по всему нагрузочному режиму работы двигателя.

По результатам анализа тепловыделения количество выделившейся теплоты Х1 во взрывной фазе для ТАНД составляет 10 %, для ТА СЯ (моновпрыск) - 19%, для ТА СЯ с дробным впрыском - 6 %.

Результаты анализа индикаторного КПД приведены на рисунке 6. Переход от ТАНД к ТА СЯ ведет к незначительному увеличению коэффициентов неиспользования теплоты цикла вследствие изменения температуры <5Х и теплообмена ¿„примерно на 0,001 и 0,002 ед. соответственно, при этом уменьшается коэффициент неиспользования теплоты из-за несвоевременности её ввода (5НС примерно на 0,014 ед. Применение дробного впрыска в ТА СЯ приводит к увеличению коэффициента д„ еще на 0,001 ед.

При этом коэффициент днс имеет рост на режимах малых и средних нагрузок и уменьшение при увеличении нагрузки примерно на 0,01 ед.

Характер изменения дис в основном и определяет, что для ТА СЯ с дробным впрыском индикаторный к.п.д. на больших нагрузках выше примерно на 5 %.

В четвертой главе приводятся результаты численного исследования показателей дизеля при работе на РМ с использованием программного комплекса «ДИЗЕЛЬ-РК» МГТУ им. Н.Э. Баумана. На первом этапе прове-

0,2 0,4 0,6 0.8 1 цИ,МП» ,4

дена настройка модели по экспе-—ТАНД; - -СЯ; ■■■С/? дробный риментальным данным. Затем с

впрыск помощью функции «Сканирова-

Рисунок 6 - Коэффициенты неис- ние» исследовано изменение мас-пользования теплоты по нагрузочной Сы предварительно впрыснутой характеристике при «=1750 мин"1 чаСти топлива от 5 до 50 %. Расчёты проводились для номинального режима при «=1750 мин"', Р{=\,3 МПа и УОВТ основной порции топлива 16° до ВМТ.

В результате сканирования было определено, что с ростом массы предварительно впрыснутой части топлива в объем КС перераспределяется характер тепловыделения в более раннюю сторону, снижается несвоевременность, и незначительно падает максимальное давление Рг. Это сопровождается ростом индикаторного к.п.д. //„ температуры Тг в пределах 200 К, скорости нарастания давления <3РМсртах, выбросов АЮх и уменьшением дымности.

41

0.5

0.4

На втором этапе с помощью функции «Сканирование» исследовалось влияние регулировок топливной аппаратуры при работе на РМ с применением дробного впрыска. В качестве изменяемых параметров были выбраны: максимальное давление впрыска Рвпр и диаметр отверстий распылителя с/отв, а также УОВТ при задании ограничений по выбросу МОх, среднему индикаторному давлению Р;, удельному индикаторному расходу gi, дымности. Так как у базового двигателя Рвпр=150 МПа и й0тв=0,223 мм, а УОВТ 0=16°, то для сканирования были приняты диапазоны поиска Рвпр=[60-160] МПа и ^отв=[0,2-0,25] мм, 0=[6-21]°. В результате сканирования изменяемых параметров определено, что заданные ограничения по МОх, Р„ gi и дымности удовлетворяются при Рвпр=120 МПа, с/отв=0,22 мм и #=18°, которые можно определить как рекомендуемые.

Заключение

1. Наиболее перспективным видом топлива из возобновляемых источников являются растительные масла, а именно РМ. Основной проблемой применения РМ является повышенная вязкость, ухудшающая распыливание. Для снижения вероятности переобогащения топливом фронтальной и центральной части распыленной струи, а значит увеличения индикаторного КПД и снижения вредных выбросов, перспективно применение повышенного давления и дробного характера впрыска топлива.

2. В результате исследования на безмоторном стенде показателей оптической плотности, структуры и динамики распыленной топливной струи РМ сделано заключение об улучшении качества струйного смесеобразования при росте давления и дробном впрыске РМ:

• Увеличение давления от 80 до 160 МПа при моновпрыске приводит к росту примерно на 50% суммарной площади яркостных зон струи с менее плотной структурой, не переобогащенных топливом. При дробном впрыске отчетливо видно два пика образования светлых зон, не переобогащенных топливом, соответствующих распыливанию первичной и основной порции; образование яркостных зон распыливания основной порцни смещается в позднюю сторону, примерно вдвое увеличивается площадь светлых зон по сравнению с моновпрыском топлива, а темные зоны с переуплотненной структурой практически не проявляются.

• Увеличение давления впрыска при моновпрыске приводит к росту начальной скорости фронта струи на 70 %, увеличению максимальной скорости фронта струи примерно на 30 %, а затем ускоренному ее затуханию. При дробном впрыске происходит уменьшение максимальной скорости фронта струи примерно на 50-60 % и резкое снижение скорости фронта на заключительном этапе, что приводит к снижению дальнобойности, а продолжительность развития струи затягивается, это предполагает изменение УОВТ в дизеле на более ранний.

• С ростом массы предварительно впрыснутого топлива от 5 до 10 % равномерность оптической плотности струи снижается, растет дальнобойность, что увеличивает вероятность попадания большей доли топлива на стенки камеры сгорания.

3. Разработана опытная система ТАНД для подачи смесевых топлив и форсунка для ТА типа CR, которые защищены патентами на полезную модель.

4. По результатам моторных исследований проведена сравнительная оценка зависимости показателей рабочего процесса, тепловыделения, индикаторного КПД, вредных выбросов дизеля при работе на РМ с использованием ТА повышенного давления типа CR и дробного впрыска:

• Применение ТА CR как с моновпрыском, так и с дробным впрыском ведет к уменьшению индикаторного расхода топлива, а также росту максимального давления, жесткости сгорания в КС дизеля, температуры цикла и температуры ОГ по сравнению с ТАНД. Для ТА CR моно- и дробного впрыска характерно увеличение выбросов NOx, температур и давления в цилиндре, снижение СО и дымности. Снизить NOx возможно корректировкой УОВТ.

• Количество выделившейся теплоты X¡ во взрывной фазе составляет для ТАНД 10%, для ТА CR (моновпрыск) - 19%, для ТА CR с дробным впрыском - 6%, что определяет меньшую жесткость процесса ТА CR с дробным впрыском по сравнению с моновпрыском, а значит, предполагает резерв снижения образования NOx.

• Анализом индикаторного КПД показано, что переход от ТАНД к ТА CR ведет к уменьшению коэффициента несвоевременности ввода теплоты дт примерно на 0,014 ед., применение дробного впрыска приводит к росту <5НС на режимах малых и средних нагрузок и уменьшению при больших нагрузках примерно на 0,01 ед. Индикаторный КПД на больших нагрузках выше примерно на 5% для ТА CR с дробным впрыском.

5. С целью обеспечения заданных ограничительных значений по топливной экономичности, Pi, NOx и дымности обосновано применение программного комплекса моделирования рабочего процесса «ДИЗЕЛЬ-РК», с помощью которого проведено исследование, и определены рекомендуемые (оптимальные) параметры ТА Рвпр=120 МПа, dmB=0,22 мм и УОВТ=18° для дизеля 13/14 с КС типа ЯМЗ с ТА повышенного давления типа CR при использовании дробного впрыска.

Таким образом, цель работы достигнута, поставленные задачи выполнены. Направлением дальнейшего развития темы может являться: исследование возможности использования других высоковязких масел в качестве альтернативного топлива; установление взаимосвязи между результатами оптического исследования структуры и динамики распыленной струи РМ и параметрами смесеобразования, рабочего процесса для уточнения математических мо-

делей, согласование динамики струи распыленного РМ и формы камеры сгорания с учетом результатов оптических исследований.

Основные результаты опубликованы в следующих работах:

' а) научные статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, входящих в Перечень ВАК РФ:

1. Мысник, М. И. Анализ теплофизических свойств альтернативных топлив для двигателей внутреннего сгорания [Текст] / М. И. Мысник, А. Е. Свистула // Ползунов-ский вестник. - 2009. - №1 - 2. - С.37^4.

2. Мысник, М. И. Перспективы использования и анализ теплофизических свойств перспективных топлив для тепловых двигателей [Текст] / М. И. Мысник, А. Е. Свистула // Вестник Алтайской науки. - 2009. - № 2. - С. 145-153.

3.Мысник, М. И. Гидродинамический расчет двухтопливной системы питания дизеля [Текст] / М. И. Мысник, А. Е. Свистула // Вестник Алтайской науки. -2010. -№ 2. - С. 44^9.

4. Мысник, М. И. Методика гидродинамического расчета двухтопливной системы питания дизельного двигателя [Текст] / М. И. Мысник, А. Е. Свистула // Ползу-новский вестник. - 2010. - № 1. - С. 35-38.

5. Свистула, А. Е. Анализ работы дизеля на рапсовом масле с использованием топливной аппаратуры Common Rail [Текст] / А. Е. Свистула, М. И. Мысник // Известия Волгоградского государственного технического университета. - 2012. - Т. 12, № 4.-С. 14-18.

6. Свистула, А. Е. Результаты испытаний дизельного двигателя на рапсовом масле с использованием топливной аппаратуры Common Rail [Текст] / А. Е. Свистула, М. И. Мысник // Ползуновский вестник. - 2012. - № 3-1. - С. 106-112.

б) публикации в других изданиях:

7. Мысник, М. И. Анализ теплофизических свойств нетрадиционных топлив для тепловых двигателей [Текст] / М. И. Мысник // Повышение экологической безопасности автотракторной техники : сб. статей / под ред. A. JI. Новоселова / Российская академия транспорта, АлтГТУ им. II. И. Ползунова. - Барнаул : Изд-во АлтГТУ, 2010. -4.2.-С. 43-50.

8. Мысник, М. И. Метод гидродинамического расчёта комбинированной системы питания дизельного двигателя [Текст] / М. И. Мысник // Повышение экологической безопасности автотракторной техники : сб. статей / под ред. A. J1. Новоселова / Российская академия транспорта, АлтГТУ им. И. И. Ползунова. - Барнаул : Изд-во АлтГТУ, 2010. -Ч. 2. - С. 67-73.

9. Мысник, М. И. Исследование рабочего процесса дизеля с топливоподающей системой Common Rail на рапсовом масле [Текст] / М. И. Мысник, А. Е. Свистула// Повышение экологической безопасности автотракторной техники : сб. статей / под ред. A. JI. Новоселова ; Российская академия транспорта, АлтГТУ им. И. И. Ползунова. - Барнаул : Изд-во АлтГТУ, 2012. - С. 13-25.

10. Мысник, М. И. Результаты экспериментального исследования работы дизеля на рапсовом масле [Текст] / М. И. Мысник // Вестник Сибирского отделения академии военных наук. -№ 15. -2012. -С. 20-24.

11. Свистула, А. Е. Исследование индикаторного КПД дизеля с топливной аппаратурой Common Rail при работе на рапсовом масле / А. Е. Свистула, М. И. Мысник [Текст] // 6-е Луканинские чтения. Решение энерго-экологических проблем в авто-

транспортном комплексе : тезисы докладов научн.-практ. конф. - Москва : МАДИ, 2013. - С.53-55.

12. Свистула, А. Е. Анализ несвоевременности выделения теплоты в поршневом двигателе / А. Е. Свистула, М. И. Мысник [Текст] // Теплофизика и энергетика : конф. с межд. участием «VIII Всероссийский семинар вузов по теплофизике и энергетике» (Екатеринбург, 12-14 ноября 2013 г.) : тез.докл. - Екатеринбург :УрФУ, 2013. - С. 137.

13. Мысник, М. И. Исследование эффективности использования теплоты в дизеле при эксплуатации на рапсовом масле [Текст] / М. И. Мысник // Альтернативные источники энергии на автомобильном транспорте: проблемы и перспективы рационального использования : сб. научн. трудов по материалам Международной науч-практ. конф., Воронеж, 20-21 марта 2014 г. / ВГЛТА. - Воронеж, 2014. - Т.1. - С. 99104.

в) патенты:

14. Пат.на полезную модель №101502 МПК F 02М 25/00. Система питания дизеля [Текст] / Мысник М. И., Свистула А. Е. ; патентообладатель ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И. II. Ползунова». -№2010138269/06 ; заявл. 15.09.2010 ; опубл. 20.01.11, бюл. №2. - 2 с.

15. Пат.на полезную модель №128666 МПК F 02М 47/ 02, F 02М 57/02. Насос-форсунка [Текст] / Мысник М. И., Свистула А. Е., Сальников И. А., Свещинский В. О.; патентообладатель ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова». - № 2012150818/06 ; заявл. 27.11.2012 ; опубл. 27.05.13, бюл. №15. -2 с.

Подписано в печать 20.02.2015. Формат 60x84 1/16. Печать - цифровая. Усл.п.л. 0,93. Тираж 100 экз. Заказ 2015-54

Отпечатано в типографии АлтГТУ, 656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46 тел.: (8-3852) 29-09-48

Лицензия на полиграфическую деятельность ПЛД №28-35 от 15.07.97 г.