автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Разработка методик оценки эффективности использования биотоплив из растительных масел в автотракторных двигателях

На правах рукописи

005531836

Маркова Вера Владимировна

РАЗРАБОТКА МЕТОДИК ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БИОТОПЛИВ ИЗ РАСТИТЕЛЬНЫХ МАСЕЛ В АВТОТРАКТОРНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

-1 АВГ 2013

Москва-2013

005531836

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

Научный руководитель: Девянин Сергей Николаевич,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Грехов Леонид Вадимович,

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Поршневые двигатели» МГТУ им. Н.Э. Баумана, почетный деятель науки и техники г. Москвы

Ерохов Виктор Иванович,

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

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджет-

ное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Волгоградский государственный технический университет»

Защита диссертации состоится 14 октября 2013 г. в 15 ч. 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.

Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 127550, Москва, Лиственничная аллея, 7, МГАУ им. В. П. Горячкина, ученому секретарю диссертационного совета Д 220.044.01.

Автореферат разослан «• » ' LJ-Q/&1 2013 г.

Ученый секретарь У— A.C. Дорохов

диссертационного совета

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ДТ - дизельное топливо;

ОГ - отработавшие газы;

МЭПМ - метиловый эфир подсолнечного масла;

МЭРМ - метиловый эфир рапсового масла;

ПАУ - полициклические ароматические углеводороды;

ПМ и РМ - подсолнечное и рапсовое масла.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность диссертационной работы обусловлена необходимостью замещения нефтяных моторных топлив альтернативными топливами. При этом одними из наиболее перспективных альтернативных топлив считаются топлива на основе растительных масел. Для условий России наиболее подходящей масличной культурой является рапс. Возможно производство биотоплив из подсолнечного масла. Использование растительных масел в качестве топлива для дизелей осложняется отличиями физико-химических свойств этих масел от свойств ДТ, которые приводят к изменению параметров процессов впрыскивания топлива и смесеобразования. Отчасти эти отличия могут быть скомпенсированы путем использования смесевого биотоплива, представляющего собой смесь традиционного ДТ с растительным маслом. Однако сложность решения проблемы выбора того или иного вида биотоплива или его состава усугубляется отсутствием методик эффективности использования биотоплив из растительных масел в автотракторных дизелях. Эти методики должны учитывать не только мощ-ностные показатели и параметры, характеризующие топливную экономичность двигателя, но и показатели токсичности ОГ, приобретающие все большую значимость. Результаты разработки указанных методик могут быть использованы при анализе комплекса мероприятий, обеспечивающих перспективные требования к токсичности ОГ при достижении повышенных показателей дизелей по топливной экономичности.

Цель работы: разработка методик оценки эффективности использования биотоплив из растительных масел в автотракторных дизелях.

Методы исследований. Поставленная в работе цель достигается сочетанием теоретических и экспериментальных методов исследования. С помощью теоретических методов проведена оптимизация состава смесевого биотоплива, разработана методика оценки экологической безопасности силовых установок с автотракторными двигателями, работающими на био-топливах. При расчетных исследованиях влияния свойств смесевых биотоплив на показатели динамики развития струй распыливаемого топлива использованы фундаментальные законы динамики и гидродинамики. Экспериментальная часть работы заключалась в определении возможности использования растительных масел в качестве топлива для дизелей.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработаны методики сравнительной оценки различных альтернативных топлив и определения оптимального состава смесевого биотоплива, имеющего наилучшие экологические показатели;

- разработана методика оценки экологической безопасности силовых установок с автотракторными двигателями, работающими на биотопливах;

- разработана методика расчетных исследований влияния свойств биотоп-лив на показатели динамики развития струй распыливаемого топлива.

Достоверность и обоснованность научных положений определяются:

- использованием современных методик оптимизации параметров дизеля, в частности состава смесевого биотоплива;

- совпадением результатов расчетных и экспериментальных исследований, полученных при испытаниях на развернутом дизеле, работающем на смесевых биотопливах.

Практическая ценность состоит в том, что:

- подтверждена возможность работы дизеля на топливах на основе РМ и ПМ и показана возможность улучшения показателей топливной экономичности и токсичности ОГ этого дизеля при использовании биотоплив;

- разработанные методики оптимизации состава смесевого биотоплива позволяют определить его состав, обеспечивающий благоприятное сочетание показателей топливной экономичности и токсичности ОГ дизеля;

- разработаны методики, позволяющие определить базовые характеристики регулирования оптимального соотношения компонентов смесевого биотоплива;

- разработанная методика исследования влияния свойств смесевых биотоплив на показатели динамики развития струй распыливаемого топлива позволяет определить целесообразные значения основных конструктивных размеров распылителей форсунок.

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 2012 г.

По материалам диссертационной работы были сделаны доклады:

- 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;

2

- 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 6 статей (из них 5 - по перечню, рекомендованному ВАК) и 3 материала конференций.

Струстура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и заключения, списка использованной литературы и приложения. Общий объем работы 192 страницы, включая 176 страниц основного текста, содержащего 62 рисунка и 35 таблиц. Список литературы включает 134 наименования на 14 страницах. Приложение на 2 страницах включает документы о внедрении результатов работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована необходимость совершенствования процессов распыливания топлива и смесеобразования в дизелях транспортного назначения, работающих на ДТ и смесевых биотопливах на основе РМ, и дана общая характеристика диссертации.

В первой главе проведен анализ работ, опубликованных по теме диссертации. Отмечено, что одним из перспективных направлений совершенствования дизелей является их адаптация к работе на биотопливах. В работах JI.B. Грехова, C.B. Гусакова, С.Н. Девянина, В.И. Ерохова, H.H. Патра-хальцева, Е.Г. Пономарева и других ученых показано, что использование растительных масел в качестве топлива для дизелей позволяет не только обеспечить замещение нефтягого ДТ альтернативными топливами, но и заметно улучшить показатели токсичности ОГ. Рассмотрены проблемы развития топливно-энергетического комплекса, виды альтернативных топ-лив, их физико-химические свойства, особенности процессов впрыскивания и распыливания биотоплив. На основании проведенного анализа сформулированы цель работы и следующие задачи исследования:

1. Разработка методик сравнительной оценки различных альтернативных топлив и определение оптимального состава смесевого биотоплива, имеющего наилучшие экологические показатели.

2. Разработка методики оценки экологической безопасности силовых установок с автотракторными двигателями, работающими к а биотопливах.

3. Проведение расчетных исследований влияния свойств смесевых биотоплив на показатели динамики развития струй топлива.

4. Проведение экспериментальных исследований автотракторного дизеля, работающего на различных биотопливах.

5. Проведение сопоставительного анализа показателей топливной экономичности и токсичности ОГ автотракторного двигателя, работающего на различных биотопливах.

Вторая глава посвящена разработке методик сравнительной оценки альтернативных топлив и оценки экологической безопасности силовых установок с автотракторными двигателями. Предложены три методики оптимизации состава смесевого топлива. В первой методике обобщенный критерий оптимальности /0 формируется в виде произведения двух частных критериев - критерия характеризующего эффективный КПД двигателя и критерия ./мох, отражающего выброс оксидов азота:

/ - / / ^ Сш*' т

Че! сЫОхдг

где це ДТ и Смох от - эффективный КПД и содержание оксидов азота в ОГ дизеля, работающего на ДТ: це, и Сшх < - эффективный КПД и содержание оксидов азота в ОГ дизеля, работающего на смесевом топливе /-го состава.

Во второй методике обобщенный критерий У0 формируется в виде суммы частных критериев, характеризующих топливную экономичности Упе, выброс с ОГ оксидов азота Уцох, монооксида углерода /со, углеводородов Уснх, а также дымность ОГ

¿о = + + ^со + ^снх + = _1едт , См(у , Ссо, | 0:нх» | Кх,

Л с i ^N0хдт ОхЭдг ^-*СНХ дт ^х дг

. Кх от - концентрация в ОГ монооксида углерода и углеводородов, дымность ОГ двигателя, работающего на ДТ; Ссо ¿, Сснх /, / -концентрации в ОГ монооксида углерода и углеводородов, дымность ОГ двигателя, работающего на смесевом топливе /-го состава. При формировании этого обобщенного критерия оптимальности последнее слагаемое учитывалось лишь на режимах внешней скоростной характеристики, на которых измерялась дымность ОГ.

В третьей методике обобщенного критерия Ja формируется в виде суммы частных критериев, аналогичной выражению (2), но вводятся весовые коэффициенты, характеризующие значимость каждого из слагаемых. При этом весовой коэффициент апе, характеризующий эффективный КПД дизеля, принят равным единице, а весовые коэффициенты <2nox5 ассь яснх, характеризующие токсичность ОГ, определялись в виде отношений действительной эмиссии токсичных компонентов ОГ дизеля, работающего на ДТ (емох, еСо, ест), к предельным величинам эмиссии, определяемым нормами на токсичность ОГ (e,vox пр, eco пр, <?ci ix пр)- Весовой коэффициент частного критерия дымности ОГ ац, определялся в виде отношения дымно-сти ОГ Кх дизеля, работающего на ДТ на режиме максимального крутящего момента, к предельному значению дымности ОГ Кх пр дизеля на этом режиме, определяемому нормами на дымность ОГ. В итоге, выражение для обобщенного критерия оптимальности J0 записывается в виде: 4

Л - аце + +aCOJCO + aCHx'^CHx +аК^Кх ~

-„ ^ + „ Cn°x' , CC0/ . д CCHx' A'x,

— + «N0^7;-+ aco p-+ acHv p—'

4ei lN0xot СО дт иСНхдт Л* дг

Как и в выражении (2), в предлагаемой методике последнее слагаемое в выражении для J0 учитывалось лишь на режимах внешней скоростной характеристики, а на режимах с неполной нагрузкой обобщенный критерий оптимальности Ja выражения (3) включает лишь первые четыре слагаемые. При расчете с использованием третьей методики весовые коэффициенты aNOxí осо» «снх определялись при ограничениях на выбросы, накладываемых нормами EURO-4. Весовой коэффициент, характеризующий дымность ОГ, определялся по выражению = Кх / Кх пр, где ограничение на предельную дымность ОГ соответствует Правилам 24-03 ЕЭК ООН. Полученные значения весовых коэффициентов частных критериев оптимальности приняты постоянными для всех исследуемых видов топлива и исследуемых режимов и равными:

,n eNOx 7>442 т п есо 3,482

яюх=--^ = —= 2,13; асо=-^ = —г- = 2,32;

eNOxnp ■*>■> СО пр 1'->

eCH, 1,519 _п. Кх 25

«снх =-^ = -— = 3,04; ак = = —— = 0,44.

^снхпр 0,5 КХпр 56,2

При проведении оптимизационных расчетов использованы экспериментальные данные по дизелю типа Д-245.12С (4 ЧН 11/12,5), работающему на смесях ДТ и РМ различного состава, полученные в МГТУ им. Н.Э. Баумана и представленные на рис. 1 и 2. С использованием этих данных рассчитаны оптимальные составы смесевого топлива для дизеля Д-245-12С при частотах вращения коленчатого вала п =800, 1200, 1600, 2000, 2400 мин"' и нагрузках, соответствующих относительным значениям крутящего момента Ме— 10, 25, 50, 75 и 100 % от максимального Ме. В соответствии с тремя предложенными методиками в каждой узловой точке определялись значения обобщенных критериев оптимальности с использованием выражений (1), (2) и (3) при работе на каждом из топлив. Затем в каждой узловой точке определялся состав топлива, при котором обобщенный критерий принимал свое минимальное значение. Этот состав топлива и принимался за оптимальный. В итоге получены три базовые характеристики оптимального состава биотоплива, представленные на рис. 3.

Рис. 1. Зависимость крутящего момента Ме, удельного эффективного расхода топлива ge, эффективного КПД це и дымности ОГ Кх дизеля Д-245.12С от частоты вращения п на режимах внешней скоростной характеристики при работе на различных топливах: 1 - ДТ; 2 - 80% ДТ и 20% РМ; 3 - 60% ДТ и 40% РМ; 4 - 40% ДТ и 60% РМ

1000 1600 2200 п, мин1

Для оценки суммарной токсикологической агрессивности ОГ двигателя, работающего на различных топливах, предлагается использовать суммарный условный коэффициент агрессивности ОГ Лог, определяемый в виде суммы относительных удельных выбросов нормируемых токсичных компонентов ОГ емох, eco, еснх, а также дымности ОГ на режиме максимального крутящего момента Кх с учетом относительных условных коэффициентов агрессивности этих компонентов Л,-:

Лог = Ль

eNOx/ eNOs ДТ

+ Д

со

_fcoj_ есодт

+ Д

■СНУ

еСНх<

еснх ДТ

кг

К

(4)

* ДТ

где Дшх = 41,1, Лео = Г0, Дснх = 3,16, Д& = 200 - коэффициенты агрессивности нормируемых токсичных компонентов ОГ; eNOx ¡, eco i, ^сн* ¡, Кх ¡ -выбросы этих компонентов при работе дизеля на смесевом топливе /-го состава; eNox дг, еСо дт, еСн* дт, Кх дт - выбросы токсичных компонентов при работе дизеля на ДТ. При составлении суммарного условного коэффициента агрессивности ОГ Аог использована дымность дизеля на режиме максимального крутящего момента при /7=1500 мин"1. Полученные значения суммарного условного коэффициента агрессивности ОГ А0г свидетельствуют о том, что среди рассматриваемых топлив наилучшими экологическими характеристиками обладает смесь 40 % ДТ и 60 % РМ, для которой этот коэффициент был равен Л0г = 127,7. Среди полученных характеристик состава смесевого биотоплива наилучшей является характеристика № 3 (рис. 3,е). При ее реализации достигается коэффициент агрессивности ОГ 6

Аог = 127,2. Близкое значение этого коэффициента можно получить и при формировании характеристики № 2 с коэффициентом агрессивности ОГ Лог = 127,3. Необходимо отметить, что с учетом полученных значений коэффициента А0г экологические показатели дизеля, в котором формируются базовые характеристики № 2 и № 3, близки к показателям дизеля, работающего на топливе постоянного состава - 40 % ДТ + 60 % РМ. Однако формирование указанных характеристик переменного состава топлива обеспечивает лучшую топливную экономичность, на 1,5 % лучшую, чем у дизеля, работающего на смеси 40 % ДТ + 60 % РМ.

Рис. 2. Зависимость часового расхода топлива От (а) и концентраций в ОГ дизеля Д-245.12С оксидов азота Сыох (б), монооксида углерода Ссо (в) и углеводородов Сснх (¿0 от частоты вращения п и крутящего момента М„: 1 — дизельное топливо; 2 - смесь 80 % ДТ и 20 % РМ; 3 - смесь 60 % ДТ и 40 % РМ; 4 - смесь 40 % ДТ и 60 % РМ

Срм.%

П. МИН'1 ШР"

ТГ ;5 '"'я Ме а

Рис. 3. Базовые характеристики оптимального состава биотоплива, полученные по выражениям (1) (я), (2) (б) и (3) (г)

Следует отметить, что для дизелей одним из наиболее значимых токсичных компонентов ОГ считаются твердые частицы, состоящие, в основном, из сажи. При этом углерод сажи не обладает значительной токсикологической агрессивностью, а основные токсические свойства сажи обусловлены присутствием на ней канцерогенных ПАУ. Однако содержание ПАУ в ОГ дизелей не нормируется. Поэтому необходима разработка методики оценки экологической безопасности силовых установок с автотракторными двигателями, работающими на различных топливах (включая биотоплива), учитывающей выбросы ПАУ с ОГ. При разработке такой методики учитывалось, что индивидуальные углеводороды, присутствующие в ОГ дизелей, имеют различную токсикологическую значимость, причем, эта токсикологическую значимость может быть охарактеризована действующими предельно допустимыми концентрациями токсичных веществ в воздухе рабочей зоны. Следует отметить, что простейший ПАУ - нафталин СюН8 имеет ПДК рабочей зоны, равную ПДКСт№=20 мг/м3). Его токсикологическая значимость принята за базовую, а токсикологическая значимость других ПАУ приводится к нафталину. В связи с этим выражение для приведенной концентрации /-го ПАУ С; (учитывающей его относительную агрессивность по сравнению с нафталином) имеет вид:

ПДКГ н

м с10н, 5)

ПДК,

где ПДКс.он», ПДК; - предельно допустимые концентрации нафталина С10Н8 и /'-го ПАУ; С, - концентрация последнего в ОГ. Просуммировав эти относительные приведенные концентрации отдельных ПАУ, получим показатель, характеризующий суммарное содержание ПАУ в ОГ дизелей с учетом их различной токсикологической значимости.

Для оценки эффективности использования этого показателя и сравнительной оценки экологической опасности ОГ дизеля, работающего на нефтяном ДТ и биотопливах, использованы данные М Тще^ък!, полученные на одноцилиндровом дизеле с непосредственным впрыскиванием топлива, степенью сжатия е=19 и углом опережения впрыскивания топлива 0=30 ° поворота коленчатого вала до ВМТ (п.к.в. до ВМТ). Двигатель исследовался на режимах 13-ступенчатого испытательного цикла М 349, близкого к 13-ступенчатому циклу Правил 49 ЕЭК ООН {Е11 НО-!). Дизель работал на нефтяном ДТ, ПМ, а также на смеси этих топлив в объемной пропорции 50 % ДТ и 50 % ПМ (табл. 1).

Таблица 1. Общее содержание ПАУ в ОГ дизеля, работающего на режимах 13-ступенчатого испытательного цикла на различных топливах_

Номер режима испытательного цикла Концентрации ПАУ в ОГ, мкг/г топлива

ДТ 50 % ДТ +50 % ПМ ПМ

1 4,9038 3,3627 1,2853

2 - - -

3 1,5973 0,4925 0,2715

4 0,2385 0,0606 0,0487

5 0,3674 0,3526 0,1090

6 1,8642 0,2359 0,2006

7 4.9038 3,3627 1,2853

8 0,8074 0,0601 -

9 0,2219 0,0807 -

10 0,3784 0,2431 0,0136

11 2,2169 1,0157 -

12 3,1651 1,9711 0,2170

13 4,9038 3,3627 1,2853

С использованием описанной методики и представленных в табл. 1 данных проведена оценка экологической безопасности силовой установок с автотракторным двигателем, работающим на нефтяном ДТ, ПМ и на смеси этих топлив в пропорции 50 % : 50 %. При этом среди индивидуальных ПАУ, содержащихся в ОГ дизеля, ПДК рабочей зоны установлены лишь для нафталина, фенантрена, пирена и бензо(а)пирена. Приведенные к нафталину концентрации указанных индивидуальных ПАУ определены по формуле (5). После суммирования приведенных концентраций получена суммарная приведенная концентрация ПАУ ЕС/. Наибольший суммарный

9

показатель экологической опасности ЕС,- отмечен при работе дизеля на нефтяном ДТ, а наименьший - при работе на ПМ. В первом случае этот показатель равен 11080,6 мкг/г топлива, а во втором случае - 1349,1 мкг/г топлива (рис. 4,а). При этом наибольшее влияние на суммарный показатель ЕС, оказывает выброс бензо(д)пирена С20Н12. Поэтому экологическую опасность ОГ двигателя можно оценивать только по выбросу выброс бензо(а)пирена С2оН|2. Для нефтяного ДТ этот показатель равен 10093,3 мкг/г топлива, а для ПМ - 693,3 мкг/г топлива (рис. 4,6).

, мг/г топлива

СБП, мг/г топлива

ДТ ДТ+ПМ ПМ

ДТ ДТ+ПМ ПМ

а б

Рис. 4. Суммарная приведенная концентрация ПАУ ЕС,- (а) и показатель экологической опасности по бензо(а)пирену Сбп (б) при работе дизеля на ДТ, смеси 50 % ДТ и 50 % ПМ и на ПМ на режимах цикла М 349

В третьей главе рассмотрены результаты расчетных исследований процессов распыливания топлива и смесеобразования дизеля, работающего на смесевых биотопливах различного состава. Представлена математическая модель динамики развития струй топлива в дизелях, созданная на базе математической модели программного комплекса «СТРУЯ», разработанной С.Н. Девяниным. Эта модель развития струи базируется на законе сохранения импульса, учитывает действительный закон подачи топлива и отражает влияние следующих основных факторов: времени процесса I, плотности воздуха рв, диаметра распыливающего отверстия с1р, давления впрыскивания рвпр. Кроме того, модель учитывает влияние свойств распы-ливаемого топлива на динамику развития струй и ее основные геометрические параметры.

При расчетах исследованы нефтяное ДТ и МЭРМ, а также смеси указанных топлив. В качестве объекта расчетных исследований выбран дизель типа Д-245.12С (4 ЧН 11/12,5). Используемые в этом двигателе форсунки 10

оснащены распылителями типа DOP 119S534 фирмы Motorpal с выходом распиливающих отверстий на конус седла иглы и с диаметром иглы ¿/„=5,0 мм (по направляющей). При расчетных исследованиях задавался закон подачи, формируемый кулачками топливного насоса высокого давления модели PP4M10Ulf на номинальном режиме дизеля Д-245.12С с частотой вращения коленчатого вала «=2400 мин"' и цикловой подачей топлива <7ц=80 мм3. При расчетах процесса распыливания топлива проведена оценка влияния свойств смесей ДТ и МЭРМ на динамику развития струй топлива.

При расчетах использован программный комплекс «СТРУЯ», а также программа, написанная на языке Turbo Basic. При расчетах динамики развития струи в дизеле типа Д-245.12С на режиме с /7=2400 мин"', qu=80 мм определена зависимость максимальной дальнобойности струи I, максимальной ширины В и угла раскрытия струи у за период задержки воспламенения от содержания МЭРМ в смеси с ДТ - Смэрм (объемное содержание). Указанные параметры определялись при впрыскивании топлива в среду с противодавлением, соответствующем текущему давлению газов в цилиндре. На рис. 5 приведены значения этих параметров на момент окончания топливоподачи. Исследованы также параметры за время впрыскивания - общее количество капель топлива N, суммарная поверхность капель S, средний диаметр капель по Заутеру dK ср (рис. 5).

Рис. 5. Зависимость максимальной дальнобойности струи L (а), максимальной ширины струи В (б) и максимального угла раскрытия струи у (в) на момент окончания подачи топлива, количества капель N (г), среднего диаметра капель по Заутеру с4ср (д) и суммарной поверхности капель S (е) за время впрыскивания от содержания МЭРМ в смесевом биотопливе Смэрм

По данным рис. 5 следует отметить, что исследуемые параметры оказались практически одинаковыми для ДТ и смесевого биотоплива с малым содержанием МЭРМ (Смэрм = 5 %). При дальнейшем росте Смэрм все

11

L.MM

В. мм

X./ / ; :

20 J0 60 80 100

С мэрм • %

/• град

20 « 60 30 100

Смэрм • % б

N. млн. ед.

О 20 40 60 80 100

Смэрм - % д

20 40 60 80 100

С мэрм • % е

показатели распыливания топлива ухудшаются. Лишь длина струи Ь за период задержки воспламенения с ростом Смэрм сначала уменьшается до Смэрм=20-25%, а затем монотонно увеличивается (см. рис. 5,а).

В четвертой главе представлены результаты испытаний дизеля типа Д-245.12С на смесях ДТ и ПМ. На первом этапе исследования этого дизеля проводились на ДТ и на смесевом биотопливе, содержащем 80% ДТ (по объему) и 20% ПМ. При испытаниях дизель исследовался на режимах внешней скоростной характеристики и 13-ступенчатого испытательного цикла Правил 49 ЕЭК ООН с установочным углом опережения впрыскивания топлива 0=13° п.к.в. до ВМТ.

При испытаниях дизеля Д-245.12С на режимах внешней скоростной характеристики на ДТ и на смеси ДТ и ПМ отмечена зависимость показателей дизеля от вида топлива. Так, использование смеси ДТ и ПМ приводит к снижению дымности ОГ Кх во всем диапазоне скоростных режимов внешней скоростной характеристики. При переходе с ДТ на смесевое топливо на режиме максимальной мощности при «=2400 мин"1 дымность ОГ снизилась с 14,5 до 11,0 % по шкале Хартриджа, а на режиме максимального крутящего момента при /7=1600 мин"1 - с 20,0 до 14,0 % (см. рис. 6).

Рис. 6. Зависимость эффективной мощности крутящего момента Ме, расхода топлива йт, коэффициента избытка воздуха а, дымности ОГ Кх и удельного эффективного расхода топлива gc от частоты вращения п коленчатого вала дизеля Д-245.12С на режимах внешней скоростной характеристики при использовании различных топлив: 1 - ДТ; 2 - смесь 80 % ДТ и 20 %ПМ

В связи с пониженной теплотворной способностью ПМ при работе дизеля Д-245.12С на смеси ДТ и ПМ удельный эффективный расход топлива ge несколько возрос по сравнению с работой на ДТ. При переходе с 12

N., кВт

ДТ на смесь ДТ и ПМ на режиме максимальной мощности при п=2400 мин"' удельный эффективный расход топлива ge вырос с 246,8 до 256,2 г/(кВт-ч), а на режиме максимального крутящего момента при я=1600 мин - с 222,6 до 231,1 г/(кВт-ч). При испытаниях дизеля Д-245.12С на режимах 13-ступенчатого цикла также отмечена зависимость показателей топливной экономичности и токсичности ОГ от вида топлива (рис. 7).

о—---о-2 /

П=2400 мин'1 /

/ / п*1600 мин*1

П=900 мин"1 4

100 200

СсоЮ4, %

Со-104,% Ссн.Ю',%

Ссни'104. %

300 Ме,Н м

П=2400 мин"1 о-----0-2

ч]

п-900мин'1 П=1600 мин'1

300 М,.Нм

Рис. 7. Зависимость часового расхода топлива Ст (а) и концентраций в ОГ дизеля Д-245.12С оксидов азота См0х (б), монооксида углерода Ссо (е) и углеводородов Сснх от частоты вращения п и крутящего момента Ме\ 1 -ДТ; 2 - смесь 80 % ДТ и 20 % ПМ

Аналогичные характеристики получены при испытаниях дизеля типа Д-245.12С на смесях 90% ДТ с 10% ПМ и 95% ДТ с 5% ПМ. По результатам этих исследований определены показатели топливной экономичности и токсичности ОГ, показанные на рис. 8.

д,,г/(кВтч) еж», ес0, e^, г / (кВт-ч)

О 5 10 15 С™,*

О 5 10 15 С„м,%

а б

Рис. 8. Зависимость удельного эффективного расхода топлива ge, эффективного КПД дизеля т|е и дымности ОГ Кх от содержания ПМ Спм в биотопливе на режимах внешней скоростной характеристики (а) и зависимость удельных массовых выбросов оксидов азота cNOx, монооксида углерода еСо и углеводородов еСш от содержания ПМ Спм в биотопливе на режимах 13-ступенчатого цикла: 1 - на режиме максимальной мощности при п=2400 мин"'; 2 — на режиме максимального крутящего момента при «=1600 мин"'

Проведен сравнительный анализ параметров дизеля, работающего на смесях ДТ с РМ и ПМ. При этом использованы результаты испытаний дизеля Д-245.12С на смеси 80 % ДТ и 20 % ПМ, а также на смеси 80 % ДТ и 20 % РМ. При оценке суммарной токсикологической агрессивности ОГ дизеля, работающего на указанных смесях, использован суммарный условный коэффициент агрессивности ОГ А0г, определяемый по формуле (4). Расчеты показали, что с точки зрения токсичности ОГ использование смесей ДТ и РМ более эффективно, чем использование смесей ДТ и ПМ. Так при работе на смеси 80 % ДТ и 20 % РМ коэффициент агрессивности оказался равным Аог = 170,6, а при работе на смеси 80 % ДТ и 20 % ПМ -А0г = 182,2. Однако использование и одной и второй смеси обеспечивает заметное улучшение показателей токсичности ОГ, по сравнению с работой на нефтяном ДТ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Проведенные расчетные и экспериментальные исследования показали, что путем применения смесей нефтяного дизельного топлива (ДТ) и растительных масел, а также путем использования методик оценки эффективности использования биотоплив из растительных в автотракторных дизелях можно обеспечить значительное улучшение показателей топливной экономичности и токсичности ОГ дизельного двигателя. Полученные при 14

исследованиях результаты сводятся к следующим основным выводам и рекомендациям:

1. Разработаны методики сравнительной оценки эффективности использования смесевых биотоплив различного состава в дизелях на основании предложенных критериев, позволившие построить три базовые характеристики регулирования состава биотоплива в зависимости от режима работы дизеля. Расчетные исследования подтвердили эффективность разработанных методик.

2. Предложен суммарный условный коэффициент агрессивности отработавших газов Аог для оценки их суммарной токсикологической агрессивности при работе на топливах различного состава, определяемый на основании относительных удельных массовых выбросов нормируемых токсичных компонентов и дымности ОГ и определенных численных значений относительных условных коэффициентов агрессивности по ним: Лм0х = 41,1;Аю= 1,0; Лен* = 3,16; = 200.

3. Разработана методика оценки экологической безопасности силовых установок с автотракторными двигателями, работающими на биотопливах, основанная на учете содержания в ОГ наиболее токсичных полициклических ароматических углеводородов. Проведенный анализ токсичности ОГ двигателя на трех вариантах состава топлива показал существенное улучшение экологических качеств дизеля, работающего на подсолнечном масле (ПМ) по сравнению с работой на ДТ (в 8 раз) и с работой на смеси ДТ и ПМ в соотношении 50:50 (в 5 раз).

4. Расчетные исследования динамики развития струй распыливаемого топлива различного состава в условиях камеры сгорания дизеля Д-245.12С показали, что при малых концентрациях метилового эфира рапсового масла в ДТ (Смэрм < 20%) различие в оценочных показателях струй смесевого топлива не превышают 5 % по сравнению с работой на ДТ. Это объясняет несущественное изменение мощностных и экономических (КПД) характеристик дизеля при малых концентрациях метилового эфира рапсового масла в смеси.

5. Экспериментальные исследования дизеля Д-245.12С подтвердили эффективность использования подсолнечного масла в качестве топлива для дизелей в смесях с нефтяным дизельным топливом. В диапазоне изменения содержания ПМ в смесевом биотопливе Спм от 0 до 20 % отмечено значительное снижение дымности ОГ Кх. При увеличении содержания ПМ в смесевом биотопливе Спм с 0 до 20% выброс наиболее значимых токсичных компонентов ОГ дизелей - оксидов азота еж>х снизился с 6,630 до 6,078 г/(кВт-ч), т.е. на 8,3%. При этом выброс монооксида азота еСо остался практически неизменным - он возрос с 2,210 до 2,257 г/(кВт-ч), т.е. на 2,1%. Минимум эмиссии монооксида углерода еСо=2,091 г/(кВт-ч) отмечен при Спм=Ю%.

6. Проведенный сравнительный анализ показателей дизеля Д-245.12С подтвердил возможность улучшения экологических свойств двигателя,

15

работающего на смесях нефтяного дизельного топлива с рапсовым маслом и подсолнечным маслом, содержащих 20% этих масел. В исследуемом диапазоне изменения Спм отмечен рост эмиссии только несгоревших углеводородов. Их выброс еснх возрос с 0,580 до 0,647 г/(кВт-ч), т.е. на 11,5%.

7. Результаты проведенных расчетных исследований показывают, что в соответствии с предложенной методикой с точки зрения токсичности ОГ использование смесей ДТ и РМ более эффективно, чем использование смесей ДТ и ПМ. Так при работе на смеси 80 % ДТ и 20 % РМ коэффициент агрессивности ОГ оказался равным А0г = 170,6, а при работе на смеси 80 % ДТ и 20 % ПМ - Лог = 182,2.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

1. Рапсовое масло в смеси с дизельным топливом / С.Н. Девянин, Л.И. Быковская, В.В Маркова и др. // Техника и оборудование для села. 2010. № 9. С. 45-46.

2. Марков В.А., Девянин С.Н., Маркова В.В. Использование подсолнечного масла в качестве топлива для дизелей // Транспорт на альтернативном топливе. 2010. № 5. С. 42-47.

3. Марков В.А., Девянин С.Н., Маркова В.В. Показатели транспортного дизеля, работающего на смесях дизельного топлива с рапсовым и подсолнечным маслами // Автомобильная промышленность. 2010. № 7. С. 1013.

4. Марков В.А., Девянин С.Н., Маркова В.В. Работа транспортного дизеля на смеси дизельного топлива и метилового эфира подсолнечного масла // Грузовик. 2010. № 9. С. 37-44.

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

6. Физико-химические свойства биодизельных топлив и показатели процесса топливоподачи / С.Н. Девянин, В.В. Маркова, B.C. Акимов и др. // Грузовик. 2012. № 3. С. 40-46.

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

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

9. Кукурузное масло - экологическая добавка к дизельному топливу / В.А. Марков, С.Н. Девянин, В.В. Маркова и др. // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Машиностроение. 2012. № 3. С. 123. (Тезисы доклада на ВНТС).

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРОИНЖЕНЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. В.П. Горячкина

На правах рукописи УДК 621.436

04201361773

Маркова Вера Владимировна

РАЗРАБОТКА МЕТОДИК ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БИОТОПЛИВ ИЗ РАСТИТЕЛЬНЫХ МАСЕЛ В АВТОТРАКТОРНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

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

Стр.

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

1. ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БИОТОПЛИВ В ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ......12

1.1. Проблемы развития топливно-энергетического комплекса..........12

1.2. Виды альтернативных топлив.................................20

1.3. Цель работы и задачи исследования...........................37

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИК СРАВНИТЕЛЬНОЙ ОЦЕНКИ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ТОПЛИВ И МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК

С АВТОТРАКТОРНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ.....................40

2.1. Разработанные методики сравнительной оценки топлив...........40

2.2. Разработка методики определения оптимального состава смесевого биотоплива и методики сравнительной

оценки смесевых топлив.........................................63

2.3. Разработка методики оценки экологической безопасности силовых установок с автотракторными

двигателями, работающими на биотопливах.........................77

Основные результаты и выводы по второй главе.....................102

3. РАСЧЕТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТОПЛИВОПОДАЧИ И СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ ДИЗЕЛЯ, РАБОТАЮЩЕГО НА СМЕСЕВЫХ

БИОТОПЛИВАХ РАЗЛИЧНОГО СОСТАВА.....................104

3.1. Необходимость совершенствования процессов распыливания топлива и смесеобразования в дизелях.............................104

3.2. Математическая модель динамики развития

струй распыливаемого топлива в дизелях..........................109

3.3. Расчетные исследования процесса распыливания

топлива в дизелях, работающих на биодизельных топливах...........129

Основные результаты и выводы по третьей главе....................138

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АВТОТРАКТОРНОГО ДИЗЕЛЯ, РАБОТАЮЩЕГО НА СМЕСЯХ ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА

И РАСТИТЕЛЬНЫХ МАСЕЛ..................................140

4.1. Необходимость использования растительных масел

и топлив на их основе в дизельных двигателях......................140

4.2. Экспериментальные исследования автотракторного дизеля, работающего на смесях дизельного топлива

и подсолнечного масла..........................................147

4.3. Сравнительный анализ параметров дизеля, работающего на смесях дизельного топлива с рапсовым и подсолнечным

маслами......................................................165

Основные результаты и выводы по четвертой главе...................173

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................176

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ......................................179

ПРИЛОЖЕНИЕ..............................................193

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

ДВС - двигатели внутреннего сгорания;

ДТ - дизельное топливо;

КПД - коэффициент полезного действия;

КС - камера сгорания;

ОГ - отработавшие газы;

ПЗВ, Tj - период задержки воспламенения;

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

ПМ - подсолнечное масло;

РМ - рапсовое масло;

ТНВД - топливный насос высокого давления; ТЧ - твердые частицы;

УОВТ, 0 - угол опережения впрыскивания топлива; ЦЧ - цетановое число;

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

CNOx, Ссо> Ошх - объемные концентрации в ОГ оксидов азота, монооксида углерода, углеводородов;

JSno» £со, £снх - массовые выбросы оксидов азота, монооксида углерода, углеводородов;

£nox> есо, еСнх - удельные массовые выбросы оксидов азота, монооксида углерода, углеводородов; <jT - часовой расход топлива;

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

rje, г)е усл - эффективный КПД дизеля; условный эффективный КПД; Срм, Смэрм - объемная концентрация РМ и МЭРМ в смесевом биотопливе; dnn> Кп - диаметр и ход плунжера ТНВД;

/р - число распыливающих отверстий;

dp, /р - диаметр и длина распыливающего отверстия;

dK, dK ср, dK тах - диаметр капель распиливаемого топлива, средний диаметр капель, максимальный диаметр капель;

/р/й?р - отношение длины распыливающего отверстия к его длине; к\ - коэффициент потерь энергии;

L, Lti - длина струи распыливаемого топлива, длина струи за ПЗВ;

В - ширина струи распыливаемого топлива;

п, пт - частоты вращения двигателя и топливного насоса;

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

qn, qxi - объемная цикловая подача топлива, подача топлива за ПЗВ;

Рф0 - давление начала подъема иглы форсунки;

рц - давление в цилиндре;

/?ф тах, /?впр - максимальное давление впрыскивания; Re - число Рейнольдса; а - коэффициент избытка воздуха;

Д Дэ - угол раскрытия струи распыливаемого топлива, эффективный угол раскрытия струи;

рх, vT, Or, ах - плотность, вязкость, коэффициент сжимаемости, коэффициент

поверхностного натяжения топлива;

jUpfp - эффективная площадь распылителя в сборе;

jMc, fip - коэффициент расхода распыливающего отверстия, распылителя в сборе.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в России ежегодно потребляется около 100 млн. тонн моторных топлив, производимых из нефти. При этом автомобильный транспорт является одним из основных потребителей нефтепродуктов и останется главным потребителем моторных топлив на период до 2040-2050 г.г. В ближайшей перспективе ожидается увеличение потребления нефтепродуктов при примерно постоянных объемах их производства и нарастающий дефицит моторных топлив.

Эти факторы привели к необходимости реконструкции топливно-энергетического комплекса путем более глубокой переработки нефти, применения энергосберегающих технологий, перехода на менее дорогостоящие виды топлив. Поэтому одним из основных путей совершенствования двигателей внутреннего сгорания, остающихся основными потребителями нефтяных топлив, является их адаптация к работе на альтернативных топливах.

Использование на транспорте альтернативных топлив может позволить обеспечить решение проблемы замещения нефтяных топлив, что значительно расширит сырьевую базу для получения моторных топлив и облегчит решение вопросов снабжения топливом транспортных средств и стационарных установок. Возможность получения альтернативных топлив с требуемыми физико-химическими свойствами позволит целенаправленно совершенствовать рабочие процессы дизелей и, тем самым, улучшить их экологические и экономические показатели. Особую значимость имеют альтернативные топлива из возобновляемых источников энергии (растительные масла, отходы сельскохозяйственного производства и пищевой промышленности, биомасса), позволяющие решить проблему снижения выбросов в атмосферу углекислого газа.

Перечисленные факторы приводят к все более широкому распространению альтернативных биотоплив на основе растительных масел (рапсового, подсолнечного, соевого, арахисового, пальмового) и их производных. Ин-

тенсивные работы по переводу дизелей на биотопливо ведутся как в странах с ограниченным энергетическим потенциалом, так и в странах с большими запасами нефтяного топлива, а также в высокоразвитых странах, имеющих финансовую возможность приобретения нефтяных энергоносителей.

В Европе ежегодно производится более 1,5 млн. т биотоплива. Это сме-севое биотопливо, содержащее до 10 % метилового эфира, получаемого из рапсового масла. Но следует отметить, что метиловый эфир рапсового масла является химически активной жидкостью, поэтому при его использовании в качестве самостоятельного топлива или как добавки к дизельному топливу топливные баки, топливопроводы и другие элементы конструкции, контактирующие с эфиром, подвергаются коррозионному действию этого топлива. Однако метиловый эфир рапсового масла несколько дороже исходного растительного масла. С этой точки зрения более предпочтительно использование рапсового масла, имеющего меньшую стоимость и отличающегося высокими экологическими качествами. Для компенсации различий физико-химических свойств рапсового масла и дизельного топлива целесообразно применять смеси указанных топлив (смесевые биотоплива).

Данная работа посвящена проблемам использования растительных масел в качестве топлива для автотракторных двигателей. В работе разработаны методики сравнительной оценки различных альтернативных топлив и определен оптимальный состав смесевого биотоплива, имеющего наилучшие экологические показатели. Разработана методика оценки экологической безопасности силовых установок с автотракторными двигателями, работающими на биотопливах. Проведены расчетные исследования влияния свойств смесевых биотоплив на показатели динамики развития струй распы-ливаемого топлива. Экспериментально исследован автотракторный дизель при использовании биотоплив различного состава. Проведен сопоставительный анализ показателей топливной экономичности и токсичности ОГ автотракторного двигателя, работающих на различных биотопливах.

Актуальность диссертационной работы обусловлена необходимостью замещения нефтяных моторных топлив альтернативными топливами. При этом одними из наиболее перспективных альтернативных топлив считаются топлива на основе растительных масел. Для условий европейской части России наиболее подходящей масличной культурой является рапс: с одного гектара посевов рапса можно получить до 3 т маслосемян (до 1,0 т рапсового масла). Возможно производство биотоплив из подсолнечного масла. Использование растительных масел в качестве топлива для дизелей осложняется отличиями физико-химических свойств этих масел от свойств товарного дизельного топлива, которые приводят к изменению параметров процессов впрыскивания топлива и смесеобразования. Отчасти эти отличия могут быть скомпенсированы путем использования смесевого биотоплива, представляющего собой смесь традиционного дизельного топлива с растительным маслом. Однако сложность решения проблемы выбора того или иного вида биотоплива или его состава усугубляется отсутствием методик эффективности использования биотоплив из растительных масел в автотракторных дизелях. Эти методики должны учитывать не только традиционные для автотракторных дизелей мощностные показатели и параметры, характеризующие топливную экономичность двигателя, но и показатели токсичности отработавших газов, приобретающие все большую значимость. Результаты разработки указанных методик могут быть использованы при анализе комплекса мероприятий, обеспечивающих перспективные требования к токсичности ОГ при достижении повышенных показателей дизелей по топливной экономичности.

Цель работы: разработка методик оценки эффективности использования биотоплив из растительных масел в автотракторных двигателях.

Методы исследований. Поставленная в работе цель достигается сочетанием теоретических и экспериментальных методов исследования. С помощью теоретических методов проведены оптимизация состава смесевого био-

топлива и определены базовые характеристики регулирования оптимального соотношения компонентов смесевого биотоплива, разработана методика оценки экологической безопасности силовых установок с автотракторными двигателями, работающими на биотопливах. При расчетных исследованиях влияния свойств смесевых биотоплив на показатели динамики развития струй распыливаемого топлива использованы фундаментальные законы динамики и гидродинамики. Экспериментальная часть работы заключалась в определении возможности использования растительных масел в качестве топлива для транспортных дизелей.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработаны методики сравнительной оценки различных альтернативных топлив и определения оптимального состава смесевого биотоплива, имеющего наилучшие экологические показатели;

- разработана методика оценки экологической безопасности силовых установок с автотракторными двигателями, работающими на биотопливах;

- разработана методика расчетных исследований влияния свойств смесевых биотоплив на показатели динамики развития струй распыливаемого топлива.

Достоверность и обоснованность научных положений определяются:

- использованием современных методик оптимизации параметров дизеля, в частности состава смесевого биотоплива;

- совпадением результатов расчетных и экспериментальных исследований, полученных при испытаниях на развернутом дизеле, работающем на смесевых биотопливах.

Практическая ценность состоит в том, что:

- подтверждена возможность работы транспортного дизеля на топливах на основе рапсового и подсолнечного масел и показана возможность улучшения показателей топливной экономичности и токсичности отработавших газов этого дизеля при использовании биотоплив;

- разработанные методики оптимизации состава смесевого биотоплива по-

зволяют определить его состав, обеспечивающий благоприятное сочетание показателей топливной экономичности и токсичности отработавших газов дизеля;

- разработаны методики, позволяющие определить базовые характеристики регулирования оптимального соотношения компонентов смесевого биотоплива;

- разработанная методика исследования влияния свойств смесевых биотоп-лив на показатели динамики развития струй распыливаемого топлива позволяет определить целесообразные значения основных конструктивных размеров распылителей форсунок.

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 2012 г.

По основным разделам диссертационной работы были сделаны доклады:

- 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 теплоэнергетиче-

ских 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 В работ, в том числе 6 статей (из них 5 - по перечню, рекомендованному ВАК) [34,53,54,55,75,90], 3 материала конференций [23,24,56].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и заключения, списка использованной литературы и приложения. Общий объем работы 192 страницы, включая 176 страниц основного текста, содержащего 62 рисунка и 35 таблиц. Список литературы включает 134 наименования на 14 страницах. Приложение на 2 страницах включает документы о внедрении результатов работы.

1. ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БИОТОПЛИВ В ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

1.1. Проблемы развития топливно-энергетического комплекса

Двигатели внутреннего сгорания применяются практически во всех видах транспортных средств и остаются одним из основных типов мобильных тепловых двигателей благодаря своей автономности, экономичности и надежности [14,20]. ДВС (включая дизели) как основной источник энергии для различных энергетических установок является и основным потребителем то-плив, при сгорании которых образуются вредные вещества, выбрасываемые в атмосферу. В табл. 1 приведены данные по Российской Федерации на конец 20-го века, характеризующие общее потребление топлива различными видами транспорта и выбросы ОГ от его сгорания в ДВС. Из данных табл. 1 следует, что на сельское хозяйство приходится значительная доля потребления моторного топлива и выбросы в атмосферу с ОГ вредных веществ [35].

Таблица 1. Потребление моторных топлив и выбросы продуктов сгорания

двигателями внутреннего сгорания

Вид транспорта Общая Потребление Выбросы ОГ

мощность, топлива в атмосферу

% % млн. тонн % млн. тонн

Автомобильный 50 56,5 65,0 71,3 21,7

Сельскохозяйственные и лесо- 20 23,5 27,0 17,8 5,4

промышленные машины

Железнодорожный 16 11,0 12,6 6,3 1,9

Речной флот 8 5,6 6,8 2,6 0,8

Строительно-дорожные машины 4 1,9 2,2 1,3 0,4

Авиация 2 1,2 1,4 0,7 0,2

Итого 100 100 115,0 100 30,4

В 2000 году в России потребление моторных топлив составило более 100 млн. тонн, из них автомобильного бензина израсходовано 35 млн. тонн,

дизельного топлива - около 55 млн. тонн, авиационного керосина — 10 млн. тонн [35]. Сельскохозяйственная техника оснащается преимущественно дизельными двигателями.

В современных услови