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

РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ ИНЖЕНЕРНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ

УДК 621. 436. оо:

48532

На правах рукописи

ФЕРНАНДО ИМАЛ ДАРЖАНАПРИЯ КУМАРА ПАТАБЕНДИГЕ (ШРИ-ЛАНКА)

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

Автореферат

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

2 2 СЕН 2011

Москва 2011

4853204

Работа выполнена на кафедре теплотехники и тепловых двигателей Российского университета дружбы народов.

Научный руководитель:

Заслуженный работник высшей школы РФ, доктор технических наук, профессор Патрахальцев Николай Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Марков Владимир Анатольевич,

кандидат технических наук, ст.н.с. Пономарёв Евгений Григорьевич.

Ведущее предприятие: Московский автомобильно - дорожный

государственный технический университет (МАДИ)

Защита диссертации состоится " VP " __20 в 1500 часов

на заседании диссертационного совета Д 212.203.33 ВАК РФ при Российском университете дружбы народов по адресу: 117302, г. Москва, ул. Подольское шоссе, 8/5. ауд. 431.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Российского университета дружбы народов по адресу: 117198, Москва, ул. Миклухо - Маклая, д. 6.

Автореферат разослан « Ц > ÇQ>-cr 20 U г.

Отзывы на автореферат просим представлять в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью, в адрес диссертационного совета.

Телефоны для справок: 952-67-87, 952-62-47. E-mail: nikpatrah@mail.ru

Учёный секретарь диссертационного совета Д 212.203.33

профессор Л. В. Виноградов

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ, ПРИНЯТЫЕ В РАБОТЕ БгюЭт - 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,

РИД - регу лирование начального давления,

СОЦЦ - система отключения цилиндров и циклон,

СП- спирт,

СпТЭ - спирта - 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), Р»ач., Рост., - начальное и остаточное давления в ЛВД(МПа), Рг, Рг. - текущие давление и температура в цилиндре (МПа, К), Тс - температура в цилиндре в конце сжатия (К), к р„о - ход иглы форсунки, ход клапана РИД, К.р„д - ограничение хода клапана РИД, г - теплота парообразования (кДж/кг), /, - время, время приёмистости (с), п, - частота вращения (1/мин), а> - угловая скорость вращения вала (рад/с), ер, £„ - угловые ускорения разгона и выбега (рад/с2), <р - угол поворота коленчатого вала коленчатого вала (град. п. к. в.), ¿-коэффициент теплоиспользования (активного тепловыделения), ¿Ш (¡> - скорость теплоиспользования (0н.к.в."').

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Прогнозы отмечают опасность скорого истощения запасов нефти. Кроме того, технология добычи нефти 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 на-

правленносгь страны определяет наличие большого объёма биоресурсов, применимых для производства био - спиртов, био - газов, вообще, био -тогишв, которые 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 имеег собственного достаточно объёмного производства двигателей внутреннего сгорания автотранспортного назначения. В связи с этим, применение различных методов и средств решения 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).

Одним из эффективных методов организации рабочих процессов спирта - дизелей является создание спирто - топливной эмульсии во время работы дизеля вводом этанола в дизельное топливо (ДТ) в линии высокого давления (ЛВД) вблизи форсунки с использованием штатной топливной системы, оснащённой клапанами регулирования начального давления (РНД). Такие системы называют также системами с импульсной подачей добавок к топливу. Недостатком таких систем является зависимость количества подаваемой добавки (спирта) от характеристики 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.

Цель диссертационной работы. 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, а также составляющей парниковых газов С02. Организация работы спирто - дизеля на режимах малых нагрузок и холостых ходов. Определение возможных количественных показателей экономии дизельного топлива замещением его этанолом. Определение возможных показателей совер-

шенствования динамических качеств дизеля при замещении части дизельного топлива этанолом.

Методы исследования. В работе применены экспериментальные и расчётно - экспериментальные методы исследования, в том числе математическое моделирование неустановившихся режимов разгонов дизеля и его модификации - спирте - дизеля в широком диапазоне частот вращения. А также моделирование режимов егшрто - дизеля при его регулировании методом отключения - включения цилиндров или циклов.

Достоверность результатов экспериментальных исследований и результатов математического моделирования определяется достаточной точностью применявшегося оборудования и стендов, сходимостью результатов с результатами опубликованных экспериментальных исследований, обработанных с применением методов математической статистики.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней подтверждена возможность совершенствования энергетических и экологических качеств дизеля типа Д-240 добавкой этанола к основному топливу. Разработаны рекомендации по модернизации топливной аппаратуры дизеля типа Д-240, с цслыо применения этанола, как добавки к основному топливу. Проведены уточнения ряда физико - химических, моторных, теплофизиче-ских свойств смесевых спирго - дизельных теплив 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. 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 - Лалка, 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).

Реализация результатов работы. Материалы исследования применяются при выполнении госбюджетной научно - исследовательской работы кафедры теплотехники и тепловых двигателей Российского универси-

тета дружбы народов, в учебном процессе, в том числе при подготовке магистерских и кандидатских диссертаций.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на ежегодных научно - технических конференциях инженерного факультета РУДЫ в 2008, в 2009 и 2010 годах, а также на 84-м и 85-м Всероссийских научно - технических семинарах по автоматическому управлению и регулированию теплоэнергетических установок им. проф. В. И. Крутова в МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2009 и 2010 г. г.

Публикации. Основные результаты работы изложены в семи публикациях, изкторых 5 - статьи и 2 - тезисы докладов, (все - в изданиях по списку ВАК РФ).

Структура н объём работы. 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы повышения эффективности, экономичности, экологических качеств дизелей автотракторного назначения, проблемы экономии топлив нефтяного происхождения замещением их топливами на базе возобновляемых ресурсов - биомассы. В качестве такого топлива принят этанол (Э7) биологического происхождения.

В первой главе проведён обзор опубликованных работ, направленных на решение указанной проблемы. Вопросам использования Альтернативных топлив, в том числе ЭТ, в ДВС посвящены работы таких российских и иностранных учёных, как Л. Н. Голубков, JI. В. Грехов, А. Ю. Ду-нии, В. И. Ерохов, В. А. Звонов, Р. 3. Кавтарадзе, Г. М. Камфер, В. А. Ли-ханов, В. Н. Лукашш, Р. В. Малов, В. И. Мальчук, В. А. Марков, Н. Н. Патрахальцев, Е. Г. Пономарёв, В. М. Попов, А. С. Хачиян, М. Г. Шатров, В. П. Шкаликова, Ю. Ж. Сааде, JI. В. Санчес, В. Льотко, Н. G. Adelman, Y. Chen, D. Gussert, Т. Fleisch, W. A. Goetz, M. Mori и другие.

Проведённый анализ публикаций позволил сделать следующие выводы.

1. Проблема дальнейшего повышения экономических, экологических и эффективных показателей работы дизелей является актуальной во всём мире. Решение этой проблемы всё в большей степени достигается использованием различных альтернативных топлив. Во многих странах, включая Шри - Ланка, одним из наиболее приемлемых и перспективных альтернативных топлив может быть этанол биологического происхождения (биоэтанол).

2. Наименее затяжным по времени внедрения и наиболее простым по техническому исполнению является метод использования спирто - топливных эмульсий, причём, создаваемых в процессе работы двигателя. Для его реализации целесообразно применение системы топливоподачи разде-

ленного типа, модернизированной клапанами регулирования начального давления (РИД).

3. Выбор составов смесевых топлив для реализации широкого диапазона скоростных и иа1рузочных режимов зависит от их физико - химических, теплофизических и моторных свойств, которые недостаточно исследованы.

4. Возможный и желательный состав смесевого топлива должен быть связан с режимами работы двигателя, так как работа спирто - дизеля на режимах малых нагрузок, холостых ходов, а особенно режимах пусков существенно затрудняется. Поэтому на таких режимах необходимо либо управлять составом смсссвого топлива, либо применять «безреечное» управление дизелем (например, отключением - включением цилиндров или циклов, иногда говорят о регулировании двигателя изменением рабочего объёма). По результатам проведённого анализа сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе рассмотрены основные теоретические положения разработки метода и средств повышения эффективности и экологичности дизеля использованием этанола, как добавки к основному топливу. Показано, что целью разработки является прежде всего не замещение дизельного топлива этанолом, а регулирование рабочего процесса двигателя, т. е. реализация метода «физико химического» регулирования дизеля - регулирования его путём оперативного, во время работы двигателя введения спирта в основное топливо и тем самым изменения физико - химических, теплофизических, моторных свойств топлива, в этом случае уже смесевого, композитного.

Проведено обоснование выбора этанола, как альтернативного топлива - добавки к основному дизельному. Показано, с учётом региональных условий среди первичных энергетических ресурсов (ГГЭР) для Шри - Ланка предпочтительны возобновляемые ПЭР, из которых предпочтительно использование энергии биомассы. Ранее было показано существенное преимущество ЭТ как топлива - снижение выбросов сажи. Объяснением этому являются прежде всего пониженные доли углерода в составе топлива, повышенное содержание водорода и кислорода, отсутствие серы.

Исследованы основные физико-химические и моторные свойства этанола, его смесей с дизельным топливом и горючих смесей на их основе. Несмотря на низкую теплоту сгорания ЭТ, теплота сгорания горючей смеси смесевого топлива с воздухом практически одинакова с аналогичными параметрами дизеля при том же составе смеси, благодаря низкому стехио-метрическому числу. Повышение химического коэффициента молекулярного изменения свежей смеси //0 с повышением содержания ЭТ в смесевом топливе при а = 1,4 изменяется от 1,045 для/(Г до 1,116 для ЭТ, что оказывает положительное влияние на протекание индикаторной диаграммы. При этом возможность обогащения смеси при работе на смесевом топливе ещё существеннее повышает этот эффекг. Повышение доли ЭТ в топливе при

любых составах горючей смеси практически не влияет на объёмную теплоту её сгорания. При этом возможность обогащения смеси при работе на смесевом топливе (благодаря пониженной дымности ОГ) повышает сё теплосодержание. Повышенная теплота парообразования ЭТ, низкое качество самовоспламенения, низкое цетановое число (ЦЧ) приводят к снижению температуры конца сжатия, к росту периода задержки воспламенения. Ввиду низких ЦЧ ЭТ, в начальных периодах его практического применения в качестве топлива целесообразно применять его в виде эмульсии с дизельным топливом. При этом содержание ЭТ в таком смесевом топливе не должно снижать его ЦЧ ниже 32 -35 единиц по условиям пуска й работы на малых нагрузках. В работе проведено определение цетановых чисел смесевых спирто - дизельных топлив с разным содержанием этанола. На основании опубликованных и собственных экспериментальных данных предложены следующие соотношения для определения ЦЧЫ смесевых топлив:

ЦЧ„, Ч-3,6507-1п(1Нш +1)+12,586)• 1п(ЦЧь) (1)

ЦЧаи=(0,12ПЗ-(10-Ёэт+1М19бЗ-(10^т. Ч)+14,35б)-1п(ЦЧд) (2) где g:,m - доля ЭТ в смесевом топливе с дизельным (д). Показано, что при ЦЧдт = 47 ед. добавка например, 30% ЭТ снижае т ЦЧСМ до 30 сд.

Из расчётов А. С. Хачияна и др. и данной работы следует, что при выработке одинаковой энергии бензиновый двигатель выбрасывает в атмосферу двуокиси углерода на 28% больше, чем дизель, и на 47,5% больше, чем газовый двигатель. Спирто - дизель выбрасывает в атмосферу двуокиси углерода на 2% меньше, чем дизель. Но сумма трёхатомных газов возрастает за счёт повышенного выброса Н]0.

Анализ теплоты, затрачиваемой на парообразование, при работе на спирто - дизельном топливе показал, что снижение Тс при разных температурах окружающей среды примерно в 7 раз превышает снижение Гс при работе на Д'Г. Эффект «внугреннего охлаждения» смягчает проблему термонапряжённости при форсировании спирто - дизеля по составу смеси.

Для анализа динамических характеристик спирто - дизеля выбрана математическая модель разгона дизеля в штатном и опытном исполнении, основанная на численном решении уравнения динамического равновесия системы двигатель - потребитель:

1)СЯ-Ло/Л = М.-Мс, (3)

где 1уст — момент инерции подвижных деталей установки, т.е. двигателя и всех механизмов, имеющих механическую связь с ним, приведенный к оси коленчатого вала; с/оо/сй — угловое ускорение вращения коленчатого вала: с1со1Ж = (п130)- <Лп/Ж; Ме - вращающий (крутящий) момент двигателя, являющийся функцией частоты вращения при установленном положения рейки; Мс — момент сопротивления (нагрузки), являющийся функцией частоты вращения при постоянстве положения регулирующего органа потребителя (характеристика сопротивления). При этом момент двигателя

относится либо к дизелю в исходном состоянии, либо к спирта - дизелю и представляется в виде зависимости, аппроксимирующей протекание соответствующей скоростной характеристики:

Л/, А + В-п + С-пг +£>-«3.- Мс=Р + в-п + Н п2. (4,5) В общем виде зависимость текущей частоты вращения от времени при моделируемом режиме представляется уравнением:

+ А!_ 30 \[А + В-п +С-<д . г + В• ,;';-1

П~П"' Т"тг \\Р + С-(п_,) + Н-(п,_1)1] \ (6)

Для реализации модели необходимы скоростные характеристики двигателей и потребителя, получение которых выполнено экспериментально и изложено в главах 3 и 4. На рис. 1 показана принципиальная схема системы топливоподачи для ввода в дизельное топливо этанола.

Рис. 1. Схема системы пода-

ттт 10

чи в дизель основного ДТ с до- -——-*—

банкой спиртового-(ЭТ): 1-ТНВД, 2-линия низкого давления (ЛНД), ^-нагнетательный клапан ТНВД, 4-линия высокого давления (ЛВД), 5-линия отсечки подачи топлива, б-ёмкость с ДТ, 7-мембранный подкачивающий насос с приводом от волн отсечки подачи, ^-аккумулятор спиртового топлива, 9-регулягор расхода и/или давления спирта. /0-клапан регулирования начального давления (РИД) - клапан импульсной подачи ЭТ, 11 -форсунка закрытого типа, 12-дизель, Л-невозвратные (обратные) клапаны, 14-ёмкость со спиртом (ЭТ)

Принцип работы клапана 10 РОД'заключается в использовании волновых процессов в ЛВД 4, формируемых при отсечке подачи топлива насосом 1 и посадке нагнетательного клапана 3 в седло. ЭТ из ёмкости 14 через аккумулятор 8 и регулятор расхода 9 вводится в ЛВД 4 вблизи форсунки 11, благодаря возникающему на клапане 10 перепаду давления. Величина перепада может быть повышена применением подкачивающего насоса 7. Таким образом, в простейшем случае расход ЭТ, вводимого в ДТ, зависит от остаточного давления в ЛВД штатной системы и интенсивности разгрузки ЛВД разгрузочным пояском нагнетательного клапана ТНВД.

Организация «безреечного» регулирования работы спирто - дизеля основана на применении метода отключения - включения части цилиндров или отдельных циклов (рис. 2). При этом оставшиеся в работе цилиндры по - существу становятся однорежимными, работающими только на полной нагрузке, с полной подачей топлива. Тем самым сохраняются высокие температуры протекания процессов в работающих цилиндрах и следова-

тельно возможности повышенного расхода ЭТ, повышенной доли замещения ДТ этанолом.

Рис. 2. Схема топливной системы с отключа-телем цилиндра или цикла (СОЦЦ): А - узел штатной топливной аппаратуры; Б - узел СОЦЦ (клапан РИД и элемент отключения подачи топлива); 1 - топливный бак; 2 - подкачивающий насос; 3 - фильтр топлива; 4 -плунжерная пара ТНВД; 5 - нагнетательный клапан с разгрузочным пояском; 6 -ЛВД; 7 -клапан Р1Щ\ 8 - электромагнитная катушка; 9 - магнитная пластина со штоком удержания клапана РЫД в отрытом состоянии, 10 - форсунка, 11 -дизель

В третьей главе рассмотрены стенды для испытаний дизеля и его топливной аппаратуры. Разработаны методики исследования влияния добавки ЭТ к ДТ на показатели работы спирта - дизеля с внутренним смесеобразованием. Проведены расчёты погрешностей определения основных параметров и показателей работы дизеля. Показана необходимость проведения многократных, испытаний дизеля на одном и том же режиме. Выполняя 6 -7 повторных реализаций режимов разгонов можно с достоверностью 8 95% утверждать, что результат изменения частоты вращения вала не выйдет за пределы доверительного интервала, равного 7 %.

Основой методики исследований является сравнительный анализ параметров и показателей работы дизеля типа Д-240 (4411/12,5) и спирта -дизеля на его базе. В проводившихся исследованиях использовались, прежде всего, единичные измерения, когда точность результата определяется не случайными ошибками эксперимента, а погрешностями измерительной и регистрирующей аппаратуры. Часть определяемых показателей зависит от ряда измеряемых параметров, то есть У=/(Х), Тогда ошибка измерения А У зависит от ошибок измерений АХ?

Так как эти параметры находятся в зависимости от замеряемых ве-

личин в соотношении:

Х2X,

...Х.-...Х.

(7)

то суммарные относительные погрешности измерения можно определить по выражению:

5У =

АХ,

~х7

+...+

АХ,

АХ ^

X

= Шх,У. (8)

Погрешность измерения не превышает 0,9%, дымности - 5,5%, расхода через РЯД- 1,5%, а времени приёмистости - 2,2 %.

Определение погрешности среднего результата повторных прямых измерений времени приёмистости дизеля с потребителем выполнялось по

следующей методике. Неидентичность многократных повторных реализаций на испытательном стенде разгонов двигателя связана с неидентично-стями исходного теплового состояния двигателя, исходной частоты вращения и номера цилиндра, с которого начинается разгон, положений регулирующих органов двигателя и потребителя и т. д. Несмотря па кажущуюся идентичность этих условий, наличие случайных процессов в системах двигателя и потребителя во время эксперимента приводит к значительному разбросу получаемых характеристик, что затрудняет выявление закономерностей, свойствешшх данному процессу. Часто разброс параметров и показателей разгона в многократных испытаниях превышает величины измеряемых параметров. Существо методики заключается в следующем. Необходимо определить статистические показатели, например, функции п =/(0- В качестве оценки истинного значения измеряемой величины п примем её среднее значение "а". Надёжность этого равенства определяется величиной доверительного интервала, т. е. неравенством

п-А<а<п + А (9)

где Л (точность) имеет заданную вероятность

?(п-А<а<п + АУ=-^=-)е 2 -А=*Ф(0;

V 2л

Оценку точности проводят по эмпирическому стандарту

<1

Г» 2 = (10)

1

Я», -"У

N-1

Тогда доверительная оценка принимает вид

(И)

а-п\<1(Р,к)-Л=; (12)

где

к = N-1 - число степеней свободы.

В работе изложена и применена методика определения динамических внешних скоростных характеристик (ДВСХ) дизеля и спирта - дизеля.

В четвёртой главе приведены результаты расчётных и экспериментальных исследований. Выполнены исследования и предложены возможные регулировки топливной аппаратуры для ввода ЭТ в линии высокого давления перед штатной форсункой. Показано, что одним из путей повышения расхода ЭТ через клапан РНД может быть увеличение разгружающей способности нагнетательного клапана штатного ТНВД (в эксперимен-

тах с 52 мм3 до 82 мм3). Полученная таким путём повышенная разгрузочная способность нагнетательного клапана приводит (при кр = 100%) к снижению производительности системы в 1,33 - 1, 52 раза соответственно при поминальной и минимальной частотах вращения вала. Применение клапана РНД и подача через него ДТ или ЭТ лишь частично восстанавливают исходную производительность системы. Причём, количество вводимого ЭТ оказывается меньше, чем количество вводимого ДТ, несмотря на более высокую вязкости ДТ. Это очевидно, связано с повышенной испаряемостью ЭТ. Пары спирта занимают повышенный объём и расход жидкого СП через клапан РНД снижается. Величина вводимой добавки ЭТ превышает прирост цикловой подачи при использовании РНД, что очевидно, связано с увеличением количества топлива, сбрасываемого в линию отсечки при пониженном остаточном давлении. А сбрасывается только чистое ДТ. Введением дополнительной подкачки ЭТ на входе в клапан РНД увеличивает долю спирта в смесевом топливе до 50 - 60 % соответственно при номинальной и минимальной частотах вращения и полных нагрузках. Содержание ЭТ в смесевом топливе на номинальном режиме может быть приемлемо для нормальных условий окружающей среды. Однако, на малых частотах вращения содержание ЭТ явно чрезмерно. Его необходимо уменьшить, например, отключением подкачки ЭТ. Работой на малых нагрузках и холостых ходах показано, что содержат« ЭТ в смесевом топливе при низких частотах превышает 60 % даже при отключённой подкачке ЭТ, что никак не приемлемо для нормальной работы дизеля. Отсюда и возникает решение о регулировании нагрузки отключением - включением цилиндров или циклов (с помощью системы СОЦЦ). В дальнейшем исследовании ЭТ подавался в ДТ вблизи форсунки через клапан РНД без изменения исходной регулировки топливной аппаратуры и без изменения её конструкциии.

Оценка выбросов парниковые газов при применении смесевого топлива (ЭТ+ДТ), выполнена при тепловых расчётах циклов спирта - дизеля с составом смеси а = 3,0 в первом приближении при условии неизменности характеристик теплоиспользования дизеля и спирто - дизеля (т. е. такой цикл представляет собой как бы средневзвешенный цикл работы в эксплуатации при широком изменении нагрузок). Показано, что доля СО2 при работе спирто - дизеля составляет примерно 6,5 %, т. е. несколько ниже, чем у дизеля с тем же а. Доля трёхатомиых газов растёт за счёт повышенного содержания паров воды в ОГ. Показано, что с ростом массового расхода смесевого топлива из - за увеличения содержания спирта в нём происходит уменьшения массового выброса выпускных газов (до 1,5%).

Более реальное влияние изменения физико - химических и моторных свойств топлива на рабочий процесс спирто - дизеля продемонстрировано, в частности, на изменении характеристик теплоиспользования, скорости теплоиспользования и т. д. Условием сравнения являлось равенство объёмных цикловых подач ДТ и смесевого (по 13 мл., как это принято стандартом на определение ЦЧш установке ИДТ-69). Показано, что присадка

к топливу свыше 20% ЭТ увеличивает задержку воспламенения на 2 - 3° поворота коленчатого вала (п. к. в.). Добавка 40% ЭТ приводит к росту максимальной жесткости, которая в полтора раза превышает жесткость работы на ДТ. Добавка этанола интенсифицирует первую фазу тепловыделения. Момент достижения ¿тах при работе на топливе со спиртом может смещаться дальше за ВМТ на 10-15° п. к. в. На характеристиках видно влияние высокой теплоты испарения спирта при значительном увеличении его количества в подаче. Добавка к дизельному топливу 10, 30, 50% этанола снижает ЦЧ с 47 до 44, 38, 34 ед. соответственно. В то же время, добавка 5% этанола повышает ЦЧ до 49 ед. В последнем очевидно проявляется повышение качества распиливания топлива, т.е. более существенное уменьшение физической составляющей периода задержки воспламенения, чем увеличение химической. Существенное снижение дымности ОГ спирта - дизеля позволяет форсировать его по моменту (рис. 4), т. е. увеличивать подачу смесевого топлива без превышения допустимого для дизеля предела дымления. ме, ,Мг.спд.

Рис. 4. Внешние скоростные характеристики дизеля типа Д-240 (д) и его «спирта - дизельной» модификации (епд).

Увеличение расхода смесевого топлива за сч&т добавки ЭТ к основному топливу приводит к уменьшению коэффициента избытка воздуха особенно существенно на низких частотах вращения, где расход ЭТ чрезвычайно велик. Если у дизеля а со снижением частоты меняегся от 1,5 до 1,28, то у спирта - дизеля - от 1,45 до 1,0. Показано (рис. 5), что экономичность спирта - дизеля ухудшается на режимах пониженных частот вращения (при условии неизменности регулировок).

Рис. 5 Расходы часовые (Gm ) и удельные (g>.) топлива дизельного (д) и

SOO10001200140016001S00 2000 2200

п, 1/мин

SOO ¡000 12001400 1600 1S002000 2200

II, 1/мин

смесевого - спирто - дизельного (спд), приведённого по теплоте сгорания к ДТ, а также относительные доли добавок спирта (Хс„), поступающих к дизельному топливу через клапан РИД, и те же доли спирта, но приведённые к теплоте сгорания дизельного топлива (Хэт„р,иееджд„).

Возможность такого форсирования влияет как на степень коррекции (относительные значения Ме. /Ме.нм), так и на удельные моменты (MJ(i- Vk) И-м/л). Указанные удельные момента позволяют сравнивать возможности разных методов по корректированию ВСХ, причём, разных дизелей.

Возможность форсирования двигателя по моменту методом ФХР приводит к улучшению динамических характеристик двигателя и установки с ним. Так время приёмистости спирта - дизеля в составе установок с моментам инерции от 3,3 до 6,3 Нмс2 при разгонах от 800 до 2200 мин"1 уменьшается на 9% но сравнению с аналогичными показателями дизеля.

Анализ суммарного расхода топлива дизелем и спирто - дизелем в режимах одинаковых разгонов с установками с разными моментами инерции и при условии приведения расхода Э'Г к ДТ по его теплоте сгорания показал, что из - за форсирования по мощности и изменения экономичности спирто - дизель тратит на 11 - 14% топлива больше, а выбросы сажи этим двигателем снижаются на 40 - 45%.

Итак, как отмечено выше, метод отключения - включения цилиндров целесообразно применять, если расход ЭТ через клапан РИД на режимах малых нагрузок оказывается чрезмерно большим и если применение сложных модернизаций топливной аппаратуры нежелательно. В этих условиях исследованы возможности поддержания установившегося режима работы двигателя методом включения - выключения части цилиндров, например, рис. 6.

1160 -г1

-п end 2-1.3,3--п ср.

ft

Рис. 6. Поддержание режима работы спирто - дизеля при п~1000 1/мин и нагрузке Мс. = /(п).

Видно, что чередованием режимов разгонов - выбегов работой на двух -одном цилиндрах удаётся вать

поддержи-1000 мин"1 с

Л Л Ф $ Ь Л Ф ф

С\, С\/ С\? Оь ^ (V Л? Л,

45 43 43 4 43 " 4)4 > моментом сопротив-

ления Мс = 58 Нм с нестабильностью ±12 мин'1. Поддержание такого же режима при чередовании работы на 2 цилиндрах и выключении обоих даёт нестабильность частоты вращения дизеля 16 мин'1, а спирто - дизеля - 20. Это связано с уменьшением времени цикла спирто - дизеля при его разгонах, благодаря повышенной форсировке. При этом, часовые выбросы сажи

дизелем составляют 125 г/час, а сиирто - дизеля - 54, т. е. снижаются более, чем в два раза.

Выбросы сажи дизелем и спирто - дизелем при работе на режиме п=2000 1/мнн при регулировании установки с моментом инерции 1-6,3 Нмс2 методом отключения - включения двух цилиндров составляют соответственно 227 и 140 г/час (иод ншрузкой) и 81 и 44 г/час (без нагрузки).

Совершенствование динамических режимов достигается как благодаря общей форсировке двигателя по моменту, так и, очевидно, благодаря устранению переходных процессов в системе топливоподачи, возможно, меньшему отрицательному влиянию переходных процессов в системе воз-духоснабжения сиирто - дизеля. Кроме того, регулирование спирто - дизеля методом отключения - включения цилиндров или циклов устраняет переходные процессы смещения рейки ТНВД в системе автоматического регулирования, т. е. снижает инерционность системы регулирования.

Экономия дизельного топлива при работе спирто - дизеля достигается прежде всего благодаря замещению его части спиртом. Так на режиме п - 1000 мин'1 со средней нагрузкой 76,5 Нм и разгонах - выбегах на двух -одном цилиндрах экономия ДТ составляет порядка 0,75 кг/час или около 20% (при полном расходе 3,6 кг/час).

Общие выводы. В целом по работе могут быть сделаны следующие выводы.

1. Первым этапом освоения спирта, как альтернативного топлива для дизелей, может стать применение метода «физико - химического» регулирования (ФХР). Целью его является не столько экономия традиционных нефтяных топлив замещением их альтернативными, сколько воздействие на протекание рабочих процессов для повышения экономических, экологических, мощностных и прочих показателей дизелей. Проведено исследование и показана возможность повышения энергетических и экологических качеств дизеля типа Д-240 добавкой к основному топливу этанола в количестве порядка 30 - 40% массовых. Подтверждена возможность повышения мощностных показателей двигателя на величину порядка 10% без превышения допустимого уровня дымности (предела дымления). Достигнута возможность экономии до 10 - 20% нефтяного дизельного топлива замещением его спиртовым (этанолом) при одновременном снижении выбросов сажи в 1,5 - 2,5 раза. Доказана возможность повышения динамических качеств двигателя типа Д-240 и установки с ним пу тём применения системы добавки этанола к основному топливу одновременно с регулированием двигателя методом включения - отключения части цилиндров или циклов.

2. Разработаны рекомендации но модернизации топливной аппаратуры дизеля типа Д-240, с целью применения этанола, как добавки к основному топливу. Они заключаются в увеличении разгружающей способности нагнетательных клапанов топливного насоса высокого давления (ТНВД) с 52 до 82 мм3, установке клапана регулирования начального давления (РНД)

вблизи штатной форсунки и оснащении клапана электромагнитной катушкой для управления отключением - включением цилиндров или циклов.

3. Проведены уточнения ряда физико - химических, моторных, тенлофи-зических свойств смесевых топлив с различным содержанием этанола в них. Показана высокая погрешность определения цстановых чисел (ЦЧ) смесевых спирто - дизельных топлив использованием закона аддитивности. На основании опубликованной информации подобраны уравнения для определения ЦЧ смесевых топлив в зависимости от содержания этанола в смесевом топливе и от ЦЧ базового ДТ. Показано, что, например, для сме-севого топлива с содержанием ЭТ 30 - 40 % предложенные уравнения дают погрешность не более 4-2 - (-5) %, в то время, как уравнение аддитивности-до -25%.

4. Проведена оценка возможностей снижения выбросов С02 при работе на смесевых тошпшах с разным содержанием этанола. Показано, что при допущении идентичности законов тепловыделения при сгорании дизельного и спирто - дизельного (60 % - ЭТ) топлив, одинаковой энергоёмкости подач и при коэффициенте избытка воздуха а, равном, в среднем для условий эксплуатации, 3,0 для дизеля и спирто - дизеля, снижение массового выброса СО2 составляет около 3 %. При этом выброс трёхатомпых газов возрастает на 4,9 %. Массовый расход смесевого топлива возрастает до 27 %.

5. Разработан метод регулирования работы спирто - дизеля в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов путём «безреечного» регулирования (отключением - включением части цилиндров или циклов). Показано, что при условии допустимости снижения ЦЧ смесевого топлива не ниже 35, содержание ЭТ в смесевом топливе не должно превышать 25 - 30 %. Поскольку при снижении частота вращения и нагрузки доля ЭТ в смесевом топливе возрастает до 80 % при нагрузке 25 %, то рекомендовано проводить отключение цилиндров или циклов при нагрузке не ниже 25 -30 %.

6. Получены количественные показатели экономии дизельного топлива замещением его этанолом. Показано, что экономия ДТ замещением его этанолом может достигать 10 - 15 % без применения безреечного регулирования и 25 - 30 % - при использовании метода отключения цилиндров или циклов (безреечное регулирование мощности двигателя).

7. Показана эффективность и получены количественные показатели метода ввода этанола в дизельное топливо для форсирования дизеля при реализации неустановившихся режимов разгонов. Так, время приёмистости при разгонах двигателей от пт„ до ппот без потребителя или с потребителем у спирто - дизеля сокращается до 9 %, благодаря возможности форсирования двигателя по составу смеси без превышения установленного предела дымления. Часовой выброс сажи в исследованных режимах разгонов снижается до 40 - 45%. При этом часовой расход топлива возрастает до 10 -15%.

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, И. Д. Фернандо И. Д. К. П. // АвтоГазоЗаправочный Комплекс + Альтернативное топливо. - 2009, № 3 (45). - С. 3 - 6.

2. Патрахальцев, IL Н. 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.

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

4. Патрахальцев, Н. Н. Показатели качества протекания неустановившихся режимов разгонов дизеля после пусков. 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. У Н. Н. Патрахальцев, С. А. Казаков, Фернандо И. Д. К. П. // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». - 2010, № 3 (80). - С. 119.

5. Патрахальцев, Н. Н. Показатели качества протекания неустановившихся режимов разгонов дизеля после пусков / Н. Н. Патрахальцев, С. А. Казаков, Фернандо И. Д. К. П. // Автомобильная промышленность. - 2011, - № 3. - С. 35 - 38.

6. Патрахальцев, П. Н. ЛВЖ как инструмент повышения качества разгонов дизеля после пуска / Н. Н. Патрахальцев, С. А. Казаков, И. Д. Фернандо И. Д. К. П. Н Автомобильная промышленность. - 2011. -№4. -С. 8-11.

7. Патрахальцев, Н. Н. Фактические значения цегановых чисел смесей дизельного топлива с альтернативными / Н. Н. Патрахальцев, Л. В. А, Санчес, Фернандо И. Д. К. П., С. В. Страшнов // АвтоГазоЗаправочный Комплекс + альтернативное топливо. - 2011. - № 3 (57). - С. 12-15.

Фернандо Имал Даржанаприя Кумара Патабендиге (Шри-Ланка)

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

В диссертации приведены результаты исследования возможностей повышения мощностных, динамических, экономических и экологических качеств дизеля типа 4411/12,5 при добавке к дизельному топливу этанола во время работы двигателя, путём ввода спирта в линии высокого давления вблизи форсунки через клапан регулирования начального давления, т. е. путём реализации метода регулирования дизеля изменением физико - химических, тсплофизических и моторных свойств топлива. Показана возможность реализации метода при сравнительной простой модернизации штатной топливной системы. В процессе регулирования применён также метод риулирования двигателя отключением - включением цилиндров или циклов.

Fernando Imal Darshanapriya Kumara Patabendige

RAISING OF EFFICIENCY AND EKOLOGICAL QUALITIES OF DIESEL D-240 TYPE BY ADDITION OF ETHANOL INTO DIESEL FUEL

There are presented results of experimental and simulating investigations of method of regulation of diesel 4411/12,5 by variation of physical and chemical properties of fuel. There are demonstrated, that efficiency, economical, dynamical, and ecological qualities of diesel can be raised by injection into cylinders some quantity of ethanol as an alternative fuel as mixture with diesel fuel. These regulations take place during the working of diesel by using of fuel system with regulation of pressure initial of fuel. For raising an efficiency, dynamical qualities of diesel there in addition applied a system for disconnection of cylinders or cycles.

Отпечатано в типографии ООО «Оргсервис — 2000» г-Москва, ул.Орджоникидзе дом 3 Заказ №2105 Тираж 100 экз

61 11-5/3164

РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ

УДК 621.436.001.

На правах рукописи

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. ПАТРАХАЛЬЦЕВ

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 спирте - 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 (.ЭТ+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 цилиндров 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),

Ме - мощность дизеля (КВт),

- мощность потребителя (сопротивления) (КВт), Рнач., 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),

С. ст - удельные теплоёмкости воздуха, топлива (кДж/(кг-К)),/2м, к рнд -ход иглы форсунки, ход клапана РНД, К.рнд - ограничение хода клапана РНД, t ~ температура (°С),

г - теплота парообразования (кДж/кг),

tnp - время приёмистости (с),

п, - частота вращения (1/мин),

со - угловая скорость вращения вала (рад/с),

еР., £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), (р - скорость теплоиспользования (0п.к.в.-1), г, - 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 (.РНД). 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 ограниченная

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 С02. 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 С02.

• 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, приложе-

ние, 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 четырёх статьях, ещё две статьи находятся в печати (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, И. Д. Фернандо Кумара Патабандиге // АвтоГазоЗаправочный Комплекс + Альтернативное топливо. - 2009, № 3 (45). - С. 3 - 6.

2. Патрахальцев, Н. Н., Казаков С. А., Фернандо Кумара П. И. Д. Регулирование рабочего процесса дизеля изменением физико - химических свойств топлива / Н. Н. Патрахальцев, С. А. Казаков, П. И. Д. Фернандо Кумара (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.

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

4. Патрахальцев, Н. Н. �