автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Совершенствование рабочего процесса дизеля, работающего на смесевом биотопливе

ЕЗЖЕВ Алексей Андреевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ДИЗЕЛЯ, РАБОТАЮЩЕГО НА СМЕСЕВОМ БИОТОПЛИВЕ

05.04.02 - тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

7 АВГ 2014

Москва - 2014

005551630

Научный руководитель -

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» на кафедре «Теплотехника и автотракторные двигатели»

доктор технических наук, профессор Шатров М.Г. ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)», заведующий кафедрой «Теплотехника и автотракторные двигатели»

Официальные оппоненты -

доктор технических наук,

профессор Фомин В.М.

ФГБОУ ВПО «Московский государственный

машиностроительный университет (МАМИ)»,

профессор кафедры «Автомобильные и

тракторные двигатели»

кандидат технических наук, доцент Савастенко А. А.

ФГБОУ ВПО «Российский университет дружбы народов», доцент кафедры «Комбинированные

две»

Ведущая организация -

ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана» Защита состоится 7 октября 2014 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 212.126.04 при ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» по адресу: 125319, г. Москва, Ленинградский пр-т, д.64, ауд. 42.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ и на сайте http://madi.ru.

Автореферат разослан « » (¿/&аЛ 2014 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета. Ученый секретарь

диссертационного совета f------Хазиев A.A.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Одна из важных задач развития современного общества - поиск новых энергетических ресурсов. Применительно к двигателям внутреннего сгорания - это частичное или полное замещение нефтяных топлив топливами из возобновляемых энергетических ресурсов. Российскими и зарубежными исследователями значительное внимание уделяется использованию биотоплив для питания дизелей.

Замещение дизельного топлива альтернативным предполагает разработку комплекса мероприятий по доводке смесеобразования и сгорания в цилиндре двигателя.

Исходя из этого работа, направленная на исследование возможности улучшения показателей работы дизеля путем разработки и реализации расчетно-экспериментального метода для изучения свойств смесевых биотоплив, их влияния на топливоподачу и рабочий процесс двигателя, актуальна.

Работа направлена на решение задачи совершенствования рабочего процесса дизеля при его переводе на питание смесевыми битопливами для улучшения его экологических показателей и повышения экономичности.

Цель работы. Улучшение экологических и экономических показателей дизеля, работающего на смесевом биотопливе, при обеспечении мощностных показателей, соответствующих работе на дизельном топливе.

Задачи работы. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

> разработать расчетно-экспериментальный метод оценки влияния смесевых биотоплив (смеси дизельного топлива и рапсового масла, дизельного топлива и этанола, рапсового масла и этанола) на рабочий процесс дизеля, в состав которого входят:

• анализ совместного влияния температуры и состава смесевого биотоплива на его физические параметры для использования при расчете процесса топливоподачи и разработке топливных систем;

• определение параметров топливной системы, изменение которых в пределах допусков, оказывает существенное влияние на процесс подачи смесевых биотоплив;

• разработка рекомендаций по заданию допусков на изготовление топливной системы в зависимости от состава смесевого биотоплива;

• исследование совместного влияния состава смесевого биотоплива и работы дизеля на его показатели в зависимости от режима работы.

> разработать рекомендации по выбору состава смесевых биотоплив и по организации рабочего процесса для улучшения экологических показателей дизеля на примере двигателей 2410,5/12 и 4ЧН11/12,5, обеспечивающих сохранение мощностных показателей на уровне, соответствующем работе на дизельном топливе;

> выполнить анализ возможности управления рабочим процессом дизеля на различных режимах путем изменения состава смесевого биотоплива

(смесь дизельного топлива и рапсового масла) в процессе его впрыскивания в камеру сгорания;

> разработать рекомендации по совершенствованию конструкции топливной системы, предназначенной для подачи смесевых топлив, и реализовать их применительно к топливной аппаратуре дизелей 2410,5/12 и 4ЧН11/12,5.

Методы исследования. Цель работы достигнута совместным использованием расчетного и экспериментального методов исследования.

Определение параметров топливной системы при их изменении в пределах допусков проведено с использованием комплекса программ гидродинамического расчета, разработанного в МАДИ. В нем использованы зависимости физических параметров смесей рапсового масла и дизельного топлива от их состава и температуры, полученные обработкой результатов испытаний, проведенных на безмоторной установке.

Исследования по оценке улучшения экономических и экологических показателей дизелей, на примере 2410,5/12 и 4ЧН11/12,5, при сохранении мощностных показателей подбором состава смесевых биотоплив, содержащих в различных сочетаниях рапсовое масло, этанол и дизельное топливо, проведены на моторных стендах, оборудованных средствами измерений согласно действующим стандартам.

Изменение состава смесевого биотоплива во время его впрыскивания в камеру сгорания дизеля достигнуто применением топливной системы, предназначенной для подачи смесевого топлива (ТСПСТ), конструкции МАДИ. Испытания ТСПСТ проведены на дизеле 2410,5/12. На основе анализа результатов исследования воздействия состава смесевого биотоплива в процессе впрыскивания на показатели дизеля разработаны рекомендации по дальнейшему совершенствованию конструкции ТСПСТ.

Научная новизна. В результате проведения исследований были получены следующие новые научные результаты:

разработан расчетно-экспериментальный метод, позволяющий исследовать влияние смесевых биотоплив на топливоподачу и рабочий процесс дизеля;

обоснована возможность решения задачи улучшения экономических и экологических показателей дизелей на различных режимах, на примере 2410,5/12 и 44Н11/12,5, при сохранении мощностных показателей подбором состава смесевых биотоплив, содержащих рапсовое масло и этанол;

результаты анализа возможности управления рабочим процессом дизеля на различных режимах путем изменения состава смесевого биотоплива (смесь дизельного топлива и рапсового масла) в процессе его впрыскивания в камеру сгорания.

Достоверность и обоснованность научных положений определяется следующим:

метод и алгоритм расчета рабочего процесса топливной системы дизеля, используемый в расчетно-экспериментальном методе оценки влияния смесевых биотоплив на топливоподачу и рабочий процесс дизеля, основана на

фундаментальных законах гидродинамики и теории рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания;

безмоторные исследования влияния температуры и состава смесевого биотоплива на его физические параметры проведены в соответствии с общепринятой методикой;

моторные испытания дизелей выполнены с учетом действующих стандартов на испытания двигателей.

Практическая ценность работы заключается в разработке: рекомендаций по изменению технологических допусков в зависимости от состава смесевого биотоплива (исследовались смеси дизельного топлива и рапсового масла) и подбору его рабочей температуры;

практических предложений по выбору состава смесевых биотоплив содержащих рапсовое масло и этанол, в соответствии с режимом работы дизеля;

рекомендаций по совершенствованию конструкции топливной системы, предназначенной для подачи смесевых биотоплив;

конструкций топливных систем дизелей 2410,5/12 и 4ЧН11/12,5, предназначенных для подачи смесевых биотоплив.

Реализация работы. Ряд результатов работы внедрены в учебный процесс МАДИ и в инженерно-конструкторском центре ОАО "НЗТА". Основные положения, выносимые на защиту:

расчетно-экспериментальный метод оценки воздействия смесевых биотоплив на топливоподачу и рабочий процесс дизеля;

результаты исследования и анализ совместного влияния температуры смесевого биотоплива (смесь дизельного топлива и рапсового масла) его состава на физические свойства, определяющие процесс топливоподачи;

результаты исследования зависимости величины технологических допусков конструктивных параметров топливной системы, влияющих на ее работу, от содержания рапсового масла в смеси с дизельным топливом;

оценка эффективности решения задачи улучшения экономических и экологических показателей дизелей, на примере 2410,5/12 и 4ЧН11/12,5, при сохранении мощностных показателей подбором состава смесевых биотоплив, содержащих рапсовое масло и этанол;

результаты исследования и анализ управления рабочим процессом дизеля на различных режимах его работы путем коррекции состава смесевого биотоплива (смесь дизельного топлива и рапсового масла) в процессе впрыскивания при применении топливной системы, предназначенной для подачи смесевого топлива;

рекомендации по совершенствованию конструкции топливной системы, предназначенной для подачи смесевых топлив;

особенности конструкции топливных систем, предназначенных для подачи смесевых топлив, для дизелей 2410,5/12 и 4ЧН11/12,5. Личный вклад автора.

Проведение в составе исследовательской группы испытаний по оценке влияния температуры и состава смесевого биотоплива (смеси дизельного

топлива и рапсового масла) на его физические параметры, учитываемые при разработке топливных систем и расчете процесса топливоподачи.

Установлены параметры топливной системы, оказывающие существенное влияние на процесс подачи смесевых биотоплив различного состава на примере смесей дизельного топлива и рапсового масла.

Разработаны рекомендации по изменению технологических допусков на изготовление топливной системы в зависимости от состава смесевого биотоплива и по подбору его рабочей температуры.

Разработана программа обработки индикаторных диаграмм, регистрируемых при испытании двигателя.

Проведение в составе группы исследований по оценке эффективности решения задачи улучшения экономических и экологических показателей дизелей, на примере 2410,5/12 и 4ЧН11/12,5, при сохранении мощностных показателей путем подбора состава смесевых биотоплив, содержащих рапсовое масло и этанол. Обработка результатов исследования.

Подготовлены предложения по совершенствованию конструкции топливной системы, предназначенной для подачи смесевых биотоплив. Разработаны элементы конструкции форсунок топливных систем дизелей 2410,5/12 и 4ЧН11/12,5, предназначенных для подачи смесевых биотоплив.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на международной конференции Двигатель-2010 (МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010 г.); международной научно-технической конференции Ассоциации Автомобильных Инженеров «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров» (МГТУ «МАМИ», 2010 г.); международной научно-технической конференции «Луканинские чтения» (МАДИ, 2011 и 2013 г.г.); всеросийском научно-техническомй семинаре имени профессора В.И. Крутова. (МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013 г.); международной научной конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов, студентов (Украина, Киев, НТУ, 2011,2012,2013 г.г.). Они получили положительную оценку.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 10 статьях и докладах, из них 3 - в рецензируемых печатных изданиях, 7 - в виде докладов на научно-технических конференциях.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, библиографического списка и 7 приложений. Содержит 143 страницы машинописного текста, в том числе, 45 рисунков, 33 таблицы. Библиографический список содержит 77 наименований, в том числе 22 на иностранных языках.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, поставлена цель и задачи исследования, изложена общая характеристика работы.

В первой главе выполнен анализ литературных источников, описывающих применение биотоплив для питания дизелей. Рассмотрены основные виды биотоплив, возможности и проблемы их применения в дизелях, конструктивные особенности топливных систем для подачи биотоплив.

Большой вклад в исследование альтернативных топлив и топливных систем для их подачи внесли J1.H. Голубков, JI.B. Грехов, C.B. Гусаков, С.Н. Девянин, В.И. Ерохов, В.А. Звонов, H.A. Иващенко, В.Н. Луканин, H.H. Патрахальцев, В.И. Мальчук, В.А. Марков, В.М. Фомин, A.C. Хачиян и другие.

На основании анализа научно-технических материалов сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе описан предложенный расчетно-экспериментальный метод оценки влияния состава смесевых топлив на рабочий процесс двигателя.

Метод позволяет обеспечить адаптацию дизеля к работе на смесевом биотопливе без изменения его конструктивных параметров.

В нем реализуются следующие этапы:

• анализ совместного влияния температуры и состава смесевого биотоплива на вязкость, плотность и скорость звука, учитываемые при дальнейшем расчете процесса топливоподачи в уравнениях граничных условий у топливного насоса высокого давления и у форсунки (1):

аФ -Ь-п-Уф .^=fm-{ц1)Ф ~рФ<>

б.и. — =с„

дер

• анализ влияния технологических допусков на процесс подачи смесевых биотоплив;

• разработку рекомендаций по изменению величины допусков в зависимости от состава смесевого биотоплива;

• исследование совместного влияния состава смесевого биотоплива и режима работы дизеля на его показатели.

Исследования физических параметров смесевых биотоплив проводятся в рабочем диапазоне их температур, который составляет от 20 до 80°С.

По результатам обработки экспериментальных данных формируются полиномиальные зависимости (табл. 1), которые в качестве исходных данных задаются в программе гидродинамического расчета ТС, разработанной в МАДИ.

С помощью указанной программы решается задача оптимизации допусков на изготовление ТС для повышения стабильности топливоподачи и обеспечения необходимых характеристик впрыскивания смесевых биотоплив.

Анализ влияния величин технологических допусков большого объема параметров на характеристики топливоподачи проводится по матрице планирования эксперимента, организованной следующим образом.

На основе имеющегося опыта и анализа литературных источников выбирается группа, состоящая из пяти факторов, оказывающих, как предполагается, наибольшее влияние на характеристику впрыскивания при заданной конструкции ТС и параметрах применяемого топлива.

Для этой группы проводят полнофакторный эксперимент.

Таблица 1

Зависимости плотности, кинематической вязкости и скорости звука от температуры и массового содержания рапсового масла в смеси с дизельным топливом

Содержание масла, % Плотность, кг/м3 Кинематическая вязкость, мм2/с Скорость звука, м/с

0 -0,62-/ + 842,37 0,0004-/2-0,0665-/ + 5,7714 -2,5862-/ + 1283,2

10 -0,6129-/ + 855,1 0,0018-г2 - 0,277-Г+ 17,395 -3,3116 /+ 1354,1

20 -0,6049-/ + 859,99 0,0012-/2-0,2195-/ + 17,11 —3,1728 • / +1352,9

30 -0,6104-/ + 866,7 -0,0003 • Г1 - 0,0781 • / +15,262 -2,4947-/ + 1338,4

40 -0,6122-7 + 875,21 0,0041-/2 -0,5836-/ + 29,831 —2,1014 +1323,2

Остальные ячейки плана заполняются случайным образом, но так, чтобы число экспериментов для одного фактора с верхним и нижним пределами варьирования были близки друг к другу или совпадали.

Первая серия расчетов моделирует регулировку топливного насоса высокого давления на стенде. Вторая серия проводится на режиме работы ТС, соответствующей номинальному режиму дизеля. В третьей серии задается режим работы ТС, соответствующий режиму максимального крутящего момента двигателя. В четвертой серии расчетов моделируется режим холостого хода дизеля.

Полученные по результатам четырех серий расчетные данные обрабатываются с использованием метода случайного баланса. В качестве критерия оценки значимости факторов используется величина медиан:

В1 = (ШИ1-Ш1.1), (2)

где МУ;+1 и МУм - медиана распределения У при нахождении фактора л:, соответственно на уровнях +1 и -1.

Для визуального анализа результатов каждой серии расчетов, они представляются в виде диаграммы эффектов по величине их вкладов в цикловую подачу. На основании анализа данных диаграмм выбираются наиболее значимые для стабилизируемого параметра факторы и даются рекомендации по назначению допусков на них.

В ходе моторных испытаний смесевого биотоплива оцениваются экологические и экономические показатели дизеля. Экологические показатели определялись по содержанию в отработавших газах основных токсичных компонентов (оксиды азота N0*, монооксид углерода СО) и дымности к.

Обработка индикаторных диаграмм, полученных при испытаниях, состоит из двух этапов.

На первом этапе исходную зависимость, полученную с датчика давления, преобразуют в индикаторную диаграмму, развернутую по углу поворота коленчатого вала. Для большей достоверности на каждом режиме снимаются индикаторные диаграммы нескольких последовательных рабочих циклов.

На втором этапе по полученной индикаторной диаграмме проводят расчеты максимальных значений скорости нарастания давления (ф/ёф)™* и давления в цилиндре рг, среднего индикаторного давления рх.

Для каждого этапа обработки индикаторных диаграмм разработаны отдельные программы.

В третьей главе проведено исследование зависимости кинематической вязкости, плотности и скорости звука от температуры (табл. 1) для смесевых биотоплив следующих массовых составов: 90% дизельного топлива (ДТ) и 10% рапсового масла (РМ); 80% ДТ и 20% РМ; 70% ДТ и 30% РМ; 60% ДТ и 40% РМ.

Снижение высокой вязкости смесевых биотоплив на основе ДТ и РМ достигнуто путем увеличения их рабочей температуры.

Плотность смеси 60% ДТ и 40% РМ при температуре 60°С соответствует плотности смеси 90% ДТ и 10% РМ при температуре 26°С. Величина кинематической вязкости при температуре 60°С сопоставима со значением при температуре 35°С.

Увеличение температуры смеси на входе в топливный насос высокого давления (ТНВД) позволяет снизить затраты мощности на его привод при повышении содержании масла растительного происхождения в смеси с дизельным топливом.

На основе выполненного исследования проведена оптимизация технологических допусков на изготовление ТС производства ОАО "Ногинский завод топливной аппаратуры" с ТНВД размерности 10x10 мм (ход/диаметр плунжера).

Для каждого состава смеси (табл. 1) по матрице планирования эксперимента были проведены расчеты рабочего процесса ТС на трех режимах: номинальный, максимальный крутящий момент и холостой ход.

Установлено, что параметры ТС по-разному влияют на топливоподачу в зависимости от режима работы топливной аппаратуры и состава топлива, поэтому технологические допуски на ТА необходимо подбирать исходя в том числе содержания растительных масел в топливе.

Для комплексной оценки вкладов факторов, характеризующих ТС, в отклонение цикловой подачи, полученных для каждого из режимов, был проведен расчет среднегеометрического влияния каждого фактора для всех режимов и составов смесевых топлив (рис. 1).

По результатам анализа расчетных данных выявлено 4 фактора, значимо влияющих на стабильность топливоподачи: объемы штуцера насоса и надплунжерной полости, объем форсунки и эффективное проходное сечение каналов плунжера. Для этих четырех факторов предложено вдвое сузить допуск.

Сужение допусков можно проводить двумя способами: поднимая нижнюю границу допуска или снижая верхнюю. Последний способ, как показал анализ, наиболее предпочтителен.

Указанные рекомендации применимы к топливной аппаратуре ОАО «НЗТА» дизелей Д-245.10 (4ЧН11/12,5) и Д-120 (2410,5/12), на которых исследовано влияние состава смесевого биотоплива на показатели рабочего процесса двигателя.

Вклад фактора, мм3 3

2,5

2

1,5

1

0,5 О

Рис. 1. Диаграмма среднегеометрического влияния факторов на цикловую подачу при работе ТС дизеля 2410,5/12 на смесевых биотопливах на основе дизельного топлива и рапсового масла: Г„о, Г „о, Кф, Кко - объемы надплунжерной полости, штуцера насоса, форсунки, разгрузки нагнетательного клапана; рк, рфо, рко - давления на входе в насос, открытия форсунки, открытия нагнетательного клапана; М,М- массы движущихся частей нагнетательного клапана и форсунки; 5„, 5„ - зазоры клапан-седло, плунжер-втулка; 5', 5 -жесткости пружин иглы форсунки, нагнетательного клапана; dr, <4о, dm - диаметры топливопровода, разгрузочного пояска клапана, плунжера; ц/фтах - эффективные проходные сечения каналов плунжера и распылителя; Л„ тах — максимальный подъем нагнетательного клапана; 5t - площадь перьев нагнетательного клапана; фп,п - угол геометрического начала подачи; у„ ти — максимальный подъем иглы; L, — длина топливопровода; /- суммарная площадь сопловых отверстий распылителя; cos р - косинус угла наклона отсечной кромки; — закон перемещения толкателя от угла поворота

кулачкового вала

Испытания обоих дизелей проведены при частотах вращения коленчатого вала, соответствующих режиму максимального крутящего момента: «м = 1700 мин"1 для 4ЧН11/12,5 и% = 1500 мин"1 для 2410,5/12.

Во время испытаний двигатель 4ЧН11/12,5 работал на смесях дизельного топлива и этанола (Э) различного массового состава: 90% ДТ и 10% Э; 80% ДТ и 20% Э; 70% ДТ и 30% Э. Выбор данных смесевых биотоплив обусловлен высокой теплотой парообразования этанола, что позволило снизить температуру рабочего тела в цилиндре и уменьшить выбросы оксидов азота с отработавшими газами.

Во время впрыскивания смесевого биотоплива капля этанола находится в оболочке, образованной дизельным топливом. Из-за более низкой температуры фазового перехода спирта из жидкого состояния в пар оболочка разрывается, улучшая мелкость распыливания топлив и последующее их смесеобразование с воздухом, создавая предпосылки для снижения дымности отработавших газов.

•

(—1

г-1 —1

-1

ППППп

2. -Ч

Фактор

При неизменных настройках топливной аппаратуры и переводе двигателя 4ЧН11/12,5 с дизельного топлива на смесь с массовым содержанием этанола Кэ = 30% снижение среднего эффективного давления ре составило 8%, поэтому для сохранения мощностных показателей дизеля на уровне, соответствующем его работе на дизельном топливе необходимо увеличить значение максимальной цикловой подачи ТНВД.

С увеличением массовой доли этанола в смеси с дизельным топливом отмечено снижение ЫОх, обусловленное понижением температуры в цилиндре дизеля.

Применение смеси с Кэ = 30%, по сравнению с дизельным топливом, уменьшает содержание оксидов азота и дымность в отработавших газах двигателя 4ЧН11/12,5 практически на всех нагрузках. Например, при ре = 0,44 МПа наблюдалось снижение N0* и дымности ОГ, соответственно, на 30% и 66%, а топливная экономичность соответствовала работе на дизельном топливе.

Дизель 2410,5/12 комплектовался двумя вариантами ТНВД: штатной размерности 9x9 мм и увеличенной производительности - 10x10 мм. Применение второго ТНВД сокращает время впрыскивания большей, по сравнению с дизельным топливом, цикловой подачи смесевого биотоплива и увеличивает давление впрыскивания.

Исследования проводились на трех вариантах смесевых биотоплив следующих массовых составов: 80% ДТ и 20% РМ; 20% ДТ и 80% РМ; 67% РМ и 33% Э.

Подтверждена необходимость совместного подбора состава смесевого топлива и установочного угла опережения впрыскивания ф0 в(уст) (табл. 2). Так при использовании на дизеле ТНВД размерности 9x9 на малых и средних нагрузках наибольший эффективный КПД г|е достигнут на смеси 20% ДТ и 80% РМ, в то время как на высоких нагрузках - на смеси 80% ДТ и 20% РМ (рис. 2).

При работе дизеля на смеси 67% РМ и 33% Э в результате увеличения размерности ТНВД на режиме ре=0,43 МПа снижены выбросы N0* на 34% и дымность отработавших газов на 60%. В диапазоне средних нагрузок эффективный КПД изменяется незначительно.

Проведенные исследования смесевых биотоплив на дизелях позволили сделать следующие выводы:

• достижение совместного улучшения экономических и экологических показателей дизеля ограничено постоянством состава смеси топлив в процессе впрыскивания; это приводит к его затягиванию и сопровождается увеличением задержки воспламенения в случае применения смесевых биотоплив с большим содержанием кислорода;

• дальнейшее совершенствование рабочего процесса дизеля, работающего на смесевых биотопливах обеспечивается изменением его состава в процессе впрыскивания.

В четвертой главе представлены результаты исследований влияния на рабочий процесс и показатели дизеля 2410,5/12 изменения состава смесевого биотоплива при его впрыскивании в камеру сгорания.

Изменение состава смесевого биотоплива достигнуто применением топливной системы конструкции МАДИ (рис. 3).

Таблица 2

Показатели работы дизеля 2410,5/12 с ТНВД размерности 9x9 мм на смесевых биотопливах, состоящих из дизельного топлива и рапсового масла

Показатели 80% ДТ и 20% РМ, Фо»п(уст) = 32 °ПКВ до ВМТ 20% ДТ и 80% РМ, фо .П (уСт) = 32 °ПКВ до ВМТ 20% ДТ и 80% РМ, фо.»л.(уст) = 13 °ПКВ до ВМТ

Ре, МПа 0,34 0,43 0,51 0,34 0,43 0,51 0,34 0,43 0,51

рг, МПа 7,58 7,82 7,42 7,42 7,61 8,24 5,15 5,32 5,46

(ф/dcpW, МПа/1 1,11 0,99 0,91 0,91 0,81 0,88 0,24 0,24 0,27

NOx, млн 1140 1375 1005 1005 1250 1488 234 324 448

к, м"1 0,32 0,39 0,54 0,54 0,8 1,02 0,43 0,52 0,77

027

025 ------1

0,1 0.2 0.3 0,4 0.5 0.8 0.7 р», МПа

а

б

Рис. 2. Изменение эффективного КПД (г|е) по нагрузочной характеристике при работе дизеля 2410,5/12 с ТНВД размерности 9x9 мм на смесевых биотопливах: а - при работе на смесевых биотопливах 80% ДТ и 20% РМ; 20% ДТ и 80% РМ при ф0 .п (уст) = 32 °ПКВ до ВМТ; б - при работе на смесевое биотопливе 20% ДТ и 80% РМ при величине 4>o.mi(jct) равной 13 и 32 °ПКВ до ВМТ

Для подачи к объему смешения компонентов смеси в форсунке 3 и ее распылителе выполнено два канала. Канал подачи основного топлива соединен с топливным насосом высокого давления 2, а канал подачи присадки - с топливным аккумулятором 4, питаемым ТНВД 8.

При испытаниях по каналам форсунки подавались дизельное топливо и его смесь с рапсовым маслом. Массовый состав смеси составлял: 50% дизельного топлива и 50% рапсового масла.

алгрм/афк > о

<7ф. мм3/0

<?ф

¡Кп

--— -V

6

100 Кп. <?ф. 16

алгрмМф. < о

% мм3/0

12

0

12 фк

<и

[к„

100 К„,

80 %

■ 60 40 ■ 20 0

12 Ф»,

Рис. 3. Схема топливной системы, предназначенной для подачи смесевого топлива, конструкции МАДИ (а) и возможные варианты изменения массового содержания рапсового масла Кр\\ в смеси топлив в процессе впрыскивания (б, в): 1, 9 — топливные баки для хранения компонентов смеси; 2, 8 - топливные насосы высокого давления; 3 -двухтопливные форсунки; 4 - аккумулятор; 5 - манометр; 6 - регулирующий кран; 7 -электродвигатель; </ф = Г (<рк) - дифференциальная характеристика впрыскивания

Подача дизельного топлива ТНВД 2 и смеси через аккумулятор 4 приводит к нарастанию по углу поворота коленчатого вала (ф) массового содержания рапсового масла (А'Рм) в смеси, подаваемой в цилиндр дизеля (аА'рмМф > 0).

Нагнетание ТНВД 2 смеси и подача дизельного топлива через аккумулятор 4 обеспечили снижение А'РМ (<Щ>м/<1ф < 0) в процессе впрыскивания.

Подача топлив через разные элементы топливной системы приводит к изменению показателей токсичности и экономичности базового дизеля.

Массовая доля рапсового масла А"РМ ц в цикловой подаче рассчитывалась по результатам замеров расходов каждого из компонентов. При этом каждое значение АГРМ „ обеспечивается как при <ЖРМ/с1ф > 0, так и при ¿КрМ/с1ф < 0.

Улучшение экономических и экологических показателей зависит от возможностей организации управления изменением состава смесевого топлива в процессе впрыскивания с учетом режима работы двигателя. На режимах средних нагрузок для обеспечения экономичности и дымности отработавших газов наиболее предпочтителен состав с 10% массовым содержанием рапсового масла в цикловой подаче топлива и с1АТРМ/с1ф > 0 (табл. 3).

Таблица 3

Показатели работы дизеля 2410,5/12, оборудованного ТСПСТ, п = 1200 мин'',/?с = 0,43 МПа

Параметр Стратегия подачи топлива

йК рм/ЙФ < 0 <\К РМ/с1ф > 0

Лрмц, % 10 20 30 10 20 30

р„ МПа 6,92 6,73 6,62 6,58 6,78 7,04

(ф/ёФ)т„, МПа/0 0,65 0,62 0,63 0,57 0,65 0,83

Лс 0,24 0,25 0,27 0,31 0,30 0,27

N0*, млн" 845 771 706 727 792 830

к, м"' 0,47 0,76 0,92 0,17 0,20 0,30

Для снижения выбросов оксидов азота целесообразно работать на составе с содержанием масла 30% при снижении доли масла к концу впрыскивания.

На режимах высоких нагрузок для улучшения эффективного КПД (табл. 3) желательно работать при подаче смеси с нарастающей к концу впрыскивания долей масла (<1£РМ/<1ср > 0), содержащего кислород. Содержание кислорода существенно снижает образование сажи в цилиндре дизеля к концу впрыскивания.

По результатам моторных испытаний разработаны рекомендации по совершенствованию конструкции ТСПСТ, согласно которым для расширения возможностей изменения состава смесевого биотоплива и улучшения экономических показателей дизеля необходимо уменьшать объемы каналов, где происходит смешение топлив перед их подачей в камеру сгорания.

На основании этих рекомендаций изготовлены экспериментальные образцы форсунок ТСПСТ для дизелей 2410,5/12 и 4ЧН11/12,5.

Выводы и рекомендации

1. Для исследования способов улучшения экологических показателей дизеля, питаемого биотопливами, при повышении экономичности и сохранении мощностных показателей, соответствующих работе на дизельном топливе, разработан расчетно-экспериментальный метод оценки влияния состава смесевых биотоплив (смеси дизельного топлива и рапсового масла, дизельного топлива и этанола, рапсового масла и этанола) на рабочий процесс двигателя, включающий:

• анализ совместного влияния температуры и состава смесевого биотоплива (смеси дизельного топлива и рапсового масла) на его физические параметры, учитываемые при разработке топливных систем и расчете процесса топливоподачи;

• определение параметров топливной системы, изменение технологических допусков которых оказывают существенное влияние на процесс подачи смесевого биотоплива, состоящего из дизельного топлива и рапсового масла;

• разработку рекомендаций по корректированию допусков в зависимости от состава смесевого биотоплива, состоящего из дизельного топлива и рапсового масла;

• исследование совместного влияния состава смесевого биотоплива и режима работы дизеля на его показатели.

2. Разработаны алгоритм и программа обработки индикаторных диаграмм нескольких последовательных рабочих циклов, позволяющие избавиться от высокочастотных шумов диаграммы, проявляющихся во время индицирования.

3. Проведенный анализ полученных зависимостей физических параметров смеси рапсового масла с дизельным топливом от ее температуры позволил обеспечить снижение затрат мощности на привод топливного насоса высокого давления при повышении содержании масла растительного происхождения в смеси с дизельным топливом. Можно рекомендовать повышение температуры смеси на входе в топливный насос высокого давления в зависимости от ее состава.

4. При питании дизеля смесями рапсового масла с дизельным топливом различного состава существенное влияние на стабильность топливоподачи оказывают: объемы штуцера насоса, надплунжерной полости и форсунки; эффективное проходное сечение каналов плунжера. Для массового производства рекомендуется снижение верхних границ допусков данных параметров с целью повышения стабильности топливоподачи.

5. Разработаны рекомендации по выбору состава смесевого биотоплива и организации рабочего процесса для улучшения экологических показателей, согласно которым:

• при переходе с дизельного топлива на его смеси с кислородосодержащим биотопливом (рапсовое масло, этанол) обоснована целесообразность перенастройки топливной аппаратуры во избежание потери мощности двигателя: так при сохранении настроек топливной аппаратуры и переводе дизеля 4ЧН11/12,5 на смесь с массовым содержанием этанола К, = 30% снижение среднего эффективного давления (ре) при частоте вращения коленчатого вала и = 1700 мин'1 составило 8%;

• в сравнении с дизельным топливом, применение его смеси с массовым содержание этанола А'3 = 30% уменьшает содержание N0* и дымность в отработавших газах дизеля 4ЧН11/12,5 практически на всех нагрузках: например, при п= 1700 мин"1 и ре = 0,44 МПа наблюдалось снижение ЫОх и дымности, соответственно, на 30% и 66%, топливная экономичность соответствовала работе на дизельном топливе;

• повышение мелкости распыливания в камере сгорания дизеля с увеличением давления впрыскивания позволяет улучшить сгорание смесевого

биотоплива, так, в результате замены на дизеле 2410,5/12 ТНВД с ходом и диаметром плунжера 9 мм на 10 мм при подаче смеси 67% (по массе) рапсового масла и 33% этанола (ре = 0,43 МПа) снижены выбросы NOx на 34% и дымность отработавших газов на 60%. В диапазоне средних нагрузок эффективный КПД изменяется незначительно.

6. Исследование рабочего процесса топливной системы, для подачи смесевых топлив (ТСПСТ), в которой топливная система непосредственного действия работает совместно с аккумуляторной показало: увеличение давления в аккумуляторе повышает остаточное давление и уменьшает запаздывание начала впрыскивания относительно геометрического начала подачи - угол опережения впрыскивания увеличивается.

7. Разработаны рекомендации по совершенствованию конструкции ТСПСТ:

• расширение возможностей изменения в ТСПСТ состава смесевого биотоплива в процессе впрыскивания обеспечивается уменьшением объемов каналов, в которых происходит смешение топлив перед их подачей в камеру сгорания дизеля;

• для снижения объема, в котором смешиваются топлива, обратные клапаны размещают не во входном штуцере форсунки, как было в исходной конструкции ТСПСТ, а на входе в каналы корпуса распылителя.

8. На основании полученных рекомендаций усовершенствованы конструкции форсунок ТСПСТ дизелей 2410,5/12, 44Н11/12,5 и изготовлены их экспериментальные образцы.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: Статьи в рецензируемых печатных изданиях

1. Дунин, А.Ю. Совершенствование экологических показателей дизеля, работающего на смеси рапсового масла и дизельного топлива / А.Ю. Дунин, A.B. Остроух, A.A. Езжев // Экологические системы и приборы. - 2011. - № 12. - С. 68.

2. Способ совместной подачи растительных масел и дизельного топлива / М.Г. Шатров, В.И. Мальчук, А.Ю. Дунин, A.A. Езжев // Автомобильная промышленность. - 2012. - № 5. - С. 9-11.

3. Улучшение показателей дизеля, работающего на водотопливной эмульсии / М.Г. Шатров, Б.А. Кудряшов, А.Ю. Дунин, A.A. Езжев, А.Н. Ливанский // Известия Волгоградского государственного технического университета: межвуз. сб. науч.ст. - Волгоград: ВолгГТУ, 2013. - №21(124), Серия "Наземные транспортные системы". Вып. 7 - С. 62-66.

Статьи и тезисы докладов на научно-технических конференциях

1. Голубков, Л.Н. Улучшение качества топливной аппаратуры путем изменения технологических допусков при работе дизеля на диметиловом эфире / Л.Н. Голубков, A.A. Езжев // Совершенствование энерго-экологических показателей автотракторных двигателей. Сборник научных трудов. - М.: МАДИ, 2010. - С.12-25.

2. Применение систем подачи смесевого топлива конструкции МАДИ для подачи кислородосодержащих топлив в камеру сгорания дизеля. / М.Г. Шатров, В.И. Мальчук, А.Ю. Дунин, A.A. Езжев // Сборник научных трудов международной конференции Двигатель-2010, посвященной 180-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана- М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. - С. 359-364.

3. Мальчук, В.И. Результаты стендовых испытаний дизеля, питаемого смесью рапсового масла и дизельного топлива различного массового состава / В.И. Мальчук, А.Ю. Дунин, A.A. Езжев // Тезисы докладов научно-технической конференции "5-ые Луканинские чтения. Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе." - М.: МАДИ, 2011. - С. 61-62.

4. Дунин, А.Ю. Рациональное использование масла растительного происхождения в качестве присадки к дизельному топливу / А.Ю. Дунин, В.И. Мальчук, A.A. Езжев // Тези доповвдей LXVII-oi науковоТ конференци" професорсько-викладацького складу, acnipaHTiB, студент та пращвниюв ш'докремлений структурних шдроздшв ушверситету. - Киев: НТУ, 2011. - С. 34-35.

5. Совершенствование подачи растительных масел в камеру сгорания дизеля / В.И. Мальчук, М.Г. Шатров, А.Ю. Дунин, A.A. Езжев // LXVIII наукова конференщя професорсько-викладацького складу, acnipaHTiB, студенев та ствроб1тниюв вщокремлених структурних шдроздшв ушверситету. - Киев: НТУ,2012.-С. 37.

6. Коррекция массового состава смесевого топлива как метод воздействия на рабочий процесс дизеля / В.И. Мальчук, А.Ю. Дунин, М.Г. Шатров, A.A. Езжев // Тезисы докладов международной научно-технической конференции "6-е Луканинские чтения. Решение энерго-экологических проблем в автотранспортном комплексе." - М.: МАДИ, 2013. - С. 31-32.

7. Дунин, А.Ю. Анализ влияния состава биотоплива на энергетические и экологические показатели дизеля / А.Ю. Дунин, A.A. Езжев // Тезисы докладов международной научно-технической конференции "6-е Луканинские чтения. Решение энерго-экологических проблем в автотранспортном комплексе." - М.: МАДИ, 2013.-С. 33.

Подписано в печать: 08.07.14

Объём: 1 п.л. Тираж: 100 экз. Заказ № 1145 Отпечатано в типографии «Реглет» г. Москва, Ленинградский проспект, д. 74 (495)790-47-77; www.reglet.ru