автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Совершенствование энергетических и экологических качеств дизеля Д-240 добавкой этанола к основному топливу

РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ

УДК 621.436.001.

На правах рукописи

04.2.01 1 64009 -ФЕРНАНДО ИМАЛ ДАРЖАНАПРИЯ КУМАРА

ПАТАБЕНДИГЕ (ШРИ-ЛАНКА)

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ

И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ КАЧЕСТВ ДИЗЕЛЯ ТИПА Д-240 ДОБАВКОЙ ЭТАНОЛА К ОСНОВНОМУ ТОПЛИВУ

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.04.02 - тепловые двигатели

Научный руководитель Заслуженный работник высшей школы РФ, доктор технических наук, профессор Н. Н. ПАТРАХАЛЫДЕВ

Москва 2011

СОДЕРЖАНИЕ

Список принятых обозначений и сокращений......................................5

ВВЕДЕНИЕ................................................................................7

Глава 1. Анализ работ, посвященных проблеме совершенствования энергетических и экологических качеств дизелей применением спиртовых топ-лив, как добавок к основному..........................................................14

1.1. Применение спиртов, как альтернативных топлив.......................14

1.2. Спирты, как топлива для замены нефтяных топлив и спирты, как добавки к основным топливам для улучшения их качества......................19

1.3. Решения проблем повышения эффективности, экономичности

и экологичности дизеля...............................................................21

1.4. Анализ применимости спиртовых топлив в дизелях.....................26

1.5. Анализ методов и средств, обеспечивающих применение этанола в

дизелях....................................................................................29

Выводы по главе 1.......................................................................31

Постановка цели и задач исследования.............................................32

Глава 2. Основные теоретические положения разработки метода и средств повышения эффективности и экологичности дизеля...........................33

2.1. Обоснование выбора этанола, как альтернативного топлива — добавки к основному дизельному...................................................33

2.2. Основные физико-химические и моторные свойства этанола, его смесей с дизельным топливом и горючих смесей на их основе....................34

2.3. Анализ теплоты, затраченной на парообразование при работе на спир-то - дизельном топливе................................................................44

2.4. Определение цетановых чисел смесевых спирто - дизельных

топлив с разным содержанием этанола.............................................46

2.5. Сравнительная оценка выбросов двуокиси углерода при работе на разных топливах.........................................................................52

2.6. Анализ возможности форсирования дизеля по составу смеси добавкой этанола к основному топливу...........................................57

2.7. Математическая модель разгона дизеля в штатном и опытном исполнениях.................................................................................... 60

2.8. Модернизация системы топливоподачи для ввода в дизельное топливо этанола.....................................................................................62

2.9. Организация безреечного регулирования работы спирто — дизеля......71

Выводы по главе 2.......................................................................76

Глава 3. Стенды для испытаний дизеля и его топливной аппаратуры, методики исследований, погрешности измерений и статистическая обработка результатов измерений................................................................77

3.1. Стенд для исследования модернизированной топливной аппаратуры дизеля с системой подачи этанола, как добавки к основному дизельному топливу...................................................................................77

3.2. Стенд для исследования дизеля с системой подачи этанола через клапан регулирования начального давления..........................................78

3.3. Погрешности измерений.........................................................80

3.4. Статистическая обработка результатов повторных реализаций режимов разгонов.............................................................................83

3.5. Методика определения динамической внешней скоростной

характеристики (ДВСХ) спирто - дизеля..........................................88

Выводы по главе 3.......................................................................89

Глава 4. Результаты расчётных и экспериментальных исследований......91

4.1. Исследования и регулировки топливной аппаратуры для ввода этанола в линии высокого давления перед штатной форсункой.........................91

4.2. Парниковые газы при применении смесевого спирто — дизельного топлива (ЭГ+ДТ)...........................................................................94

4.3. Влияние изменения физико - химических и моторных свойств топлива на рабочий процесс дизеля.................................................98

4.4. Форсирование по моменту.....................................................101

4.5. Совершенствование динамических режимов..............................108

4.6. Регулирование спирто - дизеля методом отключения - включения ци-

линдров или циклов..................................................................113

4.7. Экономия дизельного топлива.................................................124

Общие выводы.........................................................................125

Список литературы....................................................................128

Приложения............................................................................139

Список принятых обозначений и сокращений

АВСХ- абсолютная внешняя скоростная характеристика, БиоЭт — биоэтанол,

ВСХ— внешняя скоростная характеристика,

ДВСХ- динамическая внешняя скоростная характеристика,

ЛВД - линия высокого давления топлива,

ЛНД - линия низкого давления топлива,

ПзВТ-период задержки воспламенения топлива,

РНД - регулирование начального давления,

СОЦЦ- система отключения цилиндров и циклов,

СП - спирт,

СпТЭ - спирто - топливная эмульсия, ФХР - физико - химическое регулирование, ЭТ— этанол,

ЭТЭ - этаноло - топливная эмульсия, Ме - эффективный крутящий момент двигателя (Нм), Мс - момент сопротивления вращению вала дизеля (Нм), рг - текущее давление газов в цилиндре (МПа),

Рн, РнРф. ~ давление топлива в насосе, в штуцере насоса, в штуцере форсунки (МПа),

Ие - мощность дизеля (КВт),

ТУс. - мощность потребителя (сопротивления) (КВт), Рнт., Рост., - начальное и остаточное давления в ЛВД (МПа), Рг , Тг - текущие давление и температура в цилиндре (МПа, К), Тс - температура в цилиндре в конце сжатия (К),

Св, ст — удельные теплоёмкости воздуха, топлива (кДж/(кг-К)),/г„, к рнд - ход иглы форсунки, ход клапана РНД, Ьо.рнд ~ ограничение хода клапана РНД, / - температура (°С),

г — теплота парообразования (кДж/кг),

— время приёмистости (с), п, — частота вращения (1/мин), со — угловая скорость вращения вала (рад/с),

л

£р.> £в. ~ угловые ускорения разгона и выбега (рад/с ),

<р, <Р1 ~ угол поворота коленчатого вала в градусах поворота коленчатого вала (град. п. к. в.),

коэффициент теплоиспользования (активного тепловыделения), ^М (р — скорость теплоиспользования (°п.к.в._1), т, - время (с),

т, - период задержки воспламенения в единицах времени (с).

ВВЕДЕНИЕ

В глобальном масштабе, если говорить о сырьевых ресурсах, то главным природным ресурсом XXI века будет скорее всего пресная вода, а вовсе не углеводородное сырьё, нефть и газ, как это было в XX веке. Однако, в энергетическом плане, конечно важнейшим сырьём является углеводородное [10]. Прогнозы преувеличивают опасность скорого истощения запасов нефти. Однако технология добычи существенно усложняется. Усложняется и удорожает переработка более «грязной» нефти. Неизбежно повышение стоимости традиционных нефтяных топлив, особенно дизельных, отвечающих требованиям ЕВРО - 5, с содержанием серы менее 10 ч. н. м. (по оценке Международного энергетического агентства (МЭА) к 2030 г. мировые потребности в энергоносителях вырастут на 50%). На общегосударственном уровне Европа к 2020 году на 23% заменит традиционные топлива альтернативными.

Шри - Ланка - страна с ограниченными запасами традиционных энергоресурсов для производства моторных топлив. Страна существенно зависит от экспорта сырой нефти, газа, бензинов и дизельных топлив.

В то же время сельскохозяйственная направленность страны определяет наличие большого объёма биоресурсов, применимых для производства био - спиртов, био - газов, вообще, био - топлив. Биотоплива относятся к возобновляемым источникам энергии. Применение био - топлив в стране актуально как с точки зрения энергообеспечения, так и с точки зрения снижения экологической нагрузки на природу, атмосферу, особенно в крупных населённых пунктах. При этом следует учитывать особенности климата страны (жаркий тропический), который усложняет экологическую обстановку.

Шри - Ланка практически не имеет собственного достаточно объёмного производства двигателей внутреннего сгорания автотранспортного назначения. В связи с этим, применение различных методов и средств ре-

шения энергетических и экологических проблем должно идти по пути модернизации существующих ДВС, по пути приспособления существующих рабочих процессов и конструкций ДВС к новым техническим решениям.

Одним их альтернативных топлив, обеспечивающих по меньшей мере частичное решение задач энергоснабжения и повышения экологического качества окружающей среды, для Шри — Ланка является спиртовое топливо биологического происхождения, причём, именно био - этанол (нежелательность применения метанола связана как с его ядовитостью, так и с его коррозионной агрессивностью).

Внедрению спиртов в качестве моторного топлива способствуют хорошо отработанные промышленные технологии производства, что позволило, например, в Бразилии, где в качестве сырья для получения спирта используются отходы производства сахарного тростника, перевести часть транспорта на спиртовое топливо. В настоящее время в Бразилии этиловый спирт, произведенный из сахарного тростника, составляет около 40% горючего для автомобилей. В США примерно 20% урожая кукурузы перерабатываются в этиловый спирт, который смешивается с бензином в пропорции 1:9 для получения так называемого реформулированного (более чистого) бензина. Согласно закону о национальной политике в области энергетики США планируют к 2012 г. удвоить производство этилового спирта (в настоящее время он составляет 2% от общего объема потребления топлива) [95]. Цена этилового спирта в таком случае зависит от затрат удобрений, воды, природного газа и электроэнергии, используемых при производстве этилового спирта из кукурузы. Более эффективным является получение этилового спирта из целлюлозной биомассы (стерни и отходов растений, не используемых в качестве корма для животных). Очевидно, что производить в промышленном масштабе такое топливо могут позволить себе только страны, имеющие соответствующие климатические условия и стабильно производящие продукцию растениеводства.

Применение этанола (ЭТ) в двигателях с искровым зажиганием

(ДсИЗ) не является новым для страны, которая достаточно активно изучает и внедряет опыт применения спирто - бензиновых смесевых топлив в таких двигателях. В то же время в стране растёт число единиц автотранспорта, оснащённых дизелями. Необходимо учитывать высокую экономичность и экологичность таких двигателей. Целесообразность применения дизелей в легковом и особенно грузовом автотранспорте подтверждается тем, что в странах, например, Евросоюза, количество легковых автомобилей с дизелями превысило 50 % их общего числа. А грузовых достигло 75 %.

В то же время известна сложность организации рабочих процессов и создания новых конструкций дизелей, работающих на чистом спиртовом топливе. Проще решается задача частичного замещения традиционного дизельного топлива (ДТ) этанолом, т. е. использования смесевого спирто — дизельного топлива. В то же время известна сложность и высокая стоимость создания устойчивых спирто — дизельных эмульсий (СпДЭ). Поэтому одним из эффективных методов организации рабочих процессов спирто - дизелей является создание эмульсии во время работы дизеля вводом этанола в дизельное топливо в линии высокого давления вблизи форсунки с использованием штатной топливной системы, оснащённой клапанами регулирования начального давления {РИД). Такие системы называют также системами с импульсной подачей добавок к топливу.

Недостатком таких систем является зависимость количества подаваемой добавки (в данном случае спирта) от характеристики изменения остаточного давления (Рост) штатной топливной аппаратуры и, как правило, возрастание количества добавки со снижением нагрузки и частоты вращения вала дизеля. Этим нарушается рациональность, возможная оптимальность количества вводимого ЭТ.

Ранее было показано существенное снижение дымности ОГ дизеля при добавке к ДТ этанола, чему способствует прежде всего высокое содержание кислорода в молекулах ЭТ. В литературе существует ограничен-

ная информация о возможности снижения токсичности выбросов спирто — дизеля, работающего на смесевом спирто - дизельном топливе, а также о влиянии добавки спирта на выброс парниковых газов, прежде всего СО2. Недостаточна информация о количественных показателях изменения эффективности дизеля при работе на СпДЭ.

В работе поставлена цель повышения эффективности, экономичности и экологических качеств автотракторного дизеля использованием этанола в качестве добавки к дизельному топливу.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи.

• Подбор элементов топливной аппаратуры для организации процесса спирто - дизеля.

• Расчётно - экспериментальный анализ физико - химических и моторных свойств смесевых спирто — дизельных топлив (этанол + дизельное топливо). ,

• Анализ возможностей снижения токсичности выбросов, в том числе составляющей парниковых газов СО2.

• Организация работы спирто - дизеля на режимах малых нагрузок и холостых ходов.

• Определение возможных количественных показателей экономии дизельного топлива замещением его этанолом.

• Определение возможных показателей совершенствования динамических качеств автодизеля при замещении части дизельного топлива этанолом.

Научная новизна работы заключается в следующем. Подтверждена возможность совершенствования энергетических и экологических качеств дизеля типа Д-240 добавкой этанола к основному топливу. Предложены рекомендации по модернизации топливной аппаратуры дизеля типа Д-240, с целью применения этанола, как добавки к основному топливу.

Проведены уточнения ряда физико — химических, моторных, тепло-физических свойств смесевых спирто — дизельных топлив с различным содержанием этанола в них и горючих смесей на их основе.

Проведена оценка возможностей снижения выбросов СО2 при работе на смесевых топливах с разным содержанием этанола.

Разработан метод регулирования работы спирто - дизеля в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов путём «безреечного» регулирования (отключением — включением части цилиндров или циклов).

Получены количественные показатели экономии дизельного топлива частичным замещением его этанолом при реализации типичного ездового испытательного цикла.

Показана эффективность метода ввода этанола в дизельное топливо для форсирования дизеля при реализации неустановившихся режимов разгонов и получены количественные показатели.

Практическая ценность работы, особенно для Шри - Ланка, заключается в возможности модернизационным путём внедрить в дизели автотракторного назначения, оснащённые топливными системами разделённого типа, использование этанола для экономии традиционных топлив, повышения экологических качеств дизелей и улучшения их динамических качеств. Практическая ценность работы заключается также в том, что реализация разработанных мероприятий по управлению дизелем безреечным методом позволяет повысить долю замещения дизельного топлива спиртовым - этанолом. Практической ценностью обладают также предложенные уточняющие аппроксимирующие зависимости определения цетановых чисел смесевых спирто - дизельных топлив (ЭТ + ДТ).

Работа содержит введение, четыре главы основного содержания, выводы по главам и основные выводы и рекомендации по работе, приложение, список источников информации из 97 наименований. Работа изложена на 148 страницах, из которых 110 страниц основного машинописного текста, 76 иллюстраций, 8 таблиц.

Основные результаты работы изложены в семи публикациях, из которых 5 — статьи и 2 - тезисы докладов, (все - в изданиях по списку ВАК РФ), а именно:

1 .Патрахальцев, Н. Н. Применение сжиженного нефтяного газа для расширения ресурсов дизельного топлива / Н. Н. Патрахальцев, С. А. Казаков, Фернандо И. Д. К. П. // АвтоГазоЗаправочный Комплекс + Альтернативное топливо. - 2009, № 3 (45). - С. 3 - 6.

2. Патрахальцев, Н. Н., Казаков С. А., Фернандо И. Д. К. П. Регулирование рабочего процесса дизеля изменением физико - химических свойств топлива / Н. Н. Патрахальцев, С. А. Казаков, Фернандо И. Д. К. П. (Тезисы доклада на 84-м Всероссийском научно - техническом семинаре по автоматическому управлению и регулированию теплоэнергетических установок им. проф. В. И. Крутова. МГТУ им. Н.Э. Баумана.) // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». - 2009, № 4 (77). - С 118 - 119.

З.Зауави, Джавад. Регулирование рабочего процесса дизеля добавкой этанола к дизельному топливу / Джавад Зауави, М. В. Эммиль, Н. Н. Патрахальцев, Фернандо И. Д. К. П. // АвтоГазоЗаправочный Комплекс + Альтернативное топливо. - 2010, № 5 (53). - С. 38 - 41.

4. Патрахальцев, Н. Н. Показатели качества протекания неустановивш�