автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Улучшение эффективных и экологических показателей автотракторных дизелей с наддувом путем подачи метанола на впуске

/

На правах рукописи

Л

Смирнов Артём Юрьевич

УЛУЧШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ АВТОТРАКТОРНЫХ ДИЗЕЛЕЙ С НАДДУВОМ ПУТЕМ ПОДАЧИ МЕТАНОЛА НА ВПУСКЕ

Специальность: 05.04.02 - Тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Санкт - Петербург - Пушкин 2009

003489964

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Тверская государственная сельскохозяйственная

академия»

Научный руководитель: заслуженный деятель науки и техники,

доктор технических наук, профессор |Николаенко Анатолий Владимирович!

кандидат технических наук, доцент Горбатенков Александр Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Зуев Анатолий Алексеевич

кандидат технических наук, доцент Галышев Юрий Витальевич

Ведущая организация:

ФГОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики

Защита диссертации состоится « 29 » января 2010г. в 14.30 часов на заседании диссертационного совета Д 220. 060. 05 при ФГОУ ВПО «Санкт - Петербургский государственный аграрный университет» по адресу 189620, Санкт - Петербург - Пушкин, Академический проспект, д. 23, ауд. 2529.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Сапкт - Петербургского государственного аграрного университета.

Автореферат разослан и помещён на сайте http://www.spbgau.ru/disser «25»декабря 2009г.

Учёный секретарь

Диссертационного совета д.т.н., профессор Л. Т.Ю. Салова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) - наиболее распространенный тип тепловых двигателей. На их долю приходится 80% всей вырабатываемой в мире механической энергии, при этом ДВС потребляют значительное количество природных материалов и сырья, в том числе нефтепродуктов, которые относятся к нево-зобновлясмым ресурсам. Учитывая тенденции удорожания нефтепродуктов при сокращении запасов нефти, особую остроту приобрела проблема повышения топливной экономичности.

Кроме того, ДВС являются одними из основных загрязнителей окружающей среды. К концу XX века в результате интенсивного развития промышленности и автомобильного транспорта возникла проблема защиты окружающей среды от загрязнения ее токсичными веществами. Наличие токсичных компонентов (оксидов углерода, оксидов азота, углеводородов и других) в отработавших газах ДВС, выбрасываемых в атмосферу, создает опасность для здоровья людей и, в частности по исследованиям онкологов, является причиной возникновения раковых заболеваний.

Принимая во внимание отмеченные факторы, проблемы уменьшения загрязнения атмосферы токсичными веществами, выделяемыми ДВС, и повышения их экономичности приобретают особую остроту и выходят за рамки частной задачи двигателестросния.

Существенного улучшения качества смесеобразования, сгорания, и, в целом, повышения экономичности работы и уменьшения вредных выбросов дизеля, возможно достичь использованием альтернативных видов топлива, в частности метанола. В связи с этим, проблематика улучшения эффективных и экологических показателей автотракторных дизелей с наддувом путем подачи метанола на впуске является актуальной.

Связь с планами научных исследований. Диссертационная работа выполнена в соответствии с темой № 17 «Улучшение энергетических, экономических, ресурсных и экологических показателей мобильных средств в сельском хозяйстве» плана НИР Тверской ГСХА на 2000...2005, 2006...2010 гг. (номер гос. регистрации код ГРНТИ 68.85.83, 68.85.15).

Целью исследований является улучшение эффективных и экологических показателей автотракторных дизелей с наддувом путем подачи метанола на впуске.

Объект исследований. Дизель 6ЧН 13/11,5 (СМД- 62) жидкостного охлаждения, с тороидальной камерой сгорания в поршне при работе на дизельном топливе с дополнительной подачей метанола на впуске.

Предмет исследования: мощности;,1е, экономические и экологические показатели работы дизеля 6ЧН 13/11,5 (СМД - 62).

Методы исследования: в работе применяются как теоретические, так и экспериментальные методы исследования рабочего процесса, известные и апробированные на практике и специально разработанные для решения поставленных задач. Достоверность результатов подтверждается применением современных методов и средств измерений, соблюдением стандартов, периодической проверкой и тарировкой приборов, анализом и контролем погрешностей измерений, а для теоретических исследований - принятием обоснованных исходных данных и общепринятых закономерностей, сопоставлением результатов расчета и эксперимента, согласованием полученных результатов с известными.

Научную новизну работы представляют:

1. Математическая модель расчета параметров рабочего цикла и показателей работы наддувного дизеля с подачей метанола на впуске.

2. Обоснованные регулировочные параметры системы подачи метанола на впуске дизеля СМД - 62. I

3. Количественные характеристики и закономерности изменения эффективных показателей при работе дизеля СМД - 62 с подачей метанола на впуске.

4. Количественные характеристики и закономерности изменения токсичных компонентов отработавших газов при работе дизеля СМД - 62 с подачей метанола на впуске.

Практическая значимость:

1. Модернизированная система питания дизеля СМД - 62 для реализации рабочего цикла с подачей метанола на впуске.

2. Обоснованные регулировочные параметры модернизированной системы питания дизеля СМД - 62 с подачей метанола на впуске.

3. Рекомендации по применению метанола в качестве моторного топлива при его подаче на впуске дизеля СМД - 62.

Реализация результатов исследований. Техническое описание модернизированного макетного образца системы впуска дизеля СМД - 62 передано в ЗАО «Научный инженерно-технический центр» (ЗАО «ПИТЦснтр») с целью создания конструкторской документации.

Материалы исследований используются в учебном процессе на кафедре «Тракторы и автомобили» и «Техническая эксплуатация автомобилей» Тверской ГСХА при подготовке студентов по специальности 110301 и 190601.

Апробация результатов работы. Основные результаты и материалы диссертации докладывались и обсуждались на научных конференциях Тверской ГСХА 2003...2009г., на Международных научно-практических конференциях «Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей» 2006, 2007, 2008г. СПбГАУ, г. Санкт -Петербург - Пушкин).

Публикации результатов исследований. Основные положения диссертационной работы изложены в 14 печатных работах, одна из них в центральном журнале, входящем в перечень ВАК РФ.

Основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту:

1. Расчётно-теорстическая модель параметров рабочего цикла и показателей работы дизеля с подачей метанола на впуске.

2. Модернизированная система питания дизеля СМД - 62 для реализации рабочего цикла с подачей метанола на впуске.

4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния подачи метанола во впускной тракт на эффективные и экологические показатели дизеля.

5. Обоснованные регулировочные параметры модернизированной системы питания дизеля СМД - 62 с подачей метанола на впуске.

6. Рекомендации по применению метанола в качестве моторного топлива при подаче на впуске дизеля СМД - 62.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, общих выводов и двух приложений. Содержит 114 страниц основного текста, в том числе 35 рисунков, 10 таблиц, список литературы из 90 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации.

В первом разделе проведён анализ работ выполненных по тематике рассматриваемой проблемы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований по развитию и совершенствованию применения альтернативных топлив и добавок к топливам отражены в работах Абрамова С.А., Азева B.C., Алексеева Д.Г., Алейникова Ю.П., Арсе-пова Е.Е., Балакина В.И., Гладких В.А., Гущина С.Н., Данилова A.M., Емельянова В.Е., Звонова В.А., Капустина A.A., Ксенофонтова И.В., Лебедева С.Р., Лернера М.О., Лихано-

ва В.А., Луканина В.М., Луневой В.В., Лукшо В.А., Льотко В., Малова Р.В., Махова В.З., Попова В.М., Ратьковой М.Ю., Смаля В.Ф., Тсрептьева Г.А., Тюкова В.М., Хачияна A.C. и других.

Анализ данных литературных источников показывает, что применение в ДВС новых видов топлива ненефтяного происхождения позволяет частично решить не только энергетическую проблему, но и целый ряд экологических вопросов, связанных со снижением токсичности отработавших газов (ОГ). Также использованием в рабочем цикле альтернативных топливных добавок совместно с традиционными топливами, решают вопросы улучшения эффективных показателей и снижения токсичности ОГ дизелей.

Для двигателей в качестве перспективных рассматриваются газообразные топлива, спиртовые топлива (метанол и этанол), растительные масла. Эти виды топлив уступают нефтяным топливам по теплосодержанию и имеют другие недостатки. При этом спиртовые топлива и растительные масла имеют важное преимущество - относятся к категории возобновляемых ресурсов. Данным видам моторных топлив уделяется серьезное внимание во многих зарубежных странах (США, ФРГ, Бразилия и др.).

Анализ работ, проводимых по исследованию возможности применения метанола в качестве топлива для дизелей, позволяет сделать вывод о том, что они ведутся в различных направлениях, начиная от создания новых моделей дизелей, разработанных специально для работы на метаноле, и заканчивая модернизацией дизелей, выпускаемых серийно, оборудованных без значительных конструкционных изменений для организации рабочего цикла с участием метанола. Подача метанола может быть осуществлена различными способами. Способ подачи метанола на впуске в жидком виде наиболее прост, не требует серьезных конструктивных изменений и даст возможность частично заменить дизельное топливо метанолом. Очевидно, что подача метанола на впуске, сжатие метаноловоздуш-ной смеси и впрыскивание дизельного топлива в эту активную среду будут определенным образом влиять на процесс сгорания. К тому же, высокая скрытая теплота парообразования метанола позволит снизить температуру впускного воздуха, в том числе и наддувного, до более низкого значения, что создаёт условия для снижения тепловой нагрузки на детали двигателя.

На основании изложенного материала можно сделать вывод, что подача метанола на впуске не требует сложной модернизации дизеля. Использование данного способа на дизеле с наддувом создает условия испарительного охлаждения надувочного воздуха, что способствует увеличению массового заряда поступающего в цилиндры. К тому же, участие метанола в процессе сгорания позволит частично заместить дизельное топливо.

Параллельным направлением совершенствования автотракторных дизелей является снижение токсичности ОГ. На основании анализа средств и методов снижения токсичности ОГ сделан вывод о целесообразности применения метанола в рабочем цикле дизеля, путём его подачи на впуске. При этом вопросы применения метанола на впуске наддувных дизелей в настоящее время изучены недостаточно.

Таким образом, улучшение эксплуатационных показателей автотракторных дизелей с наддувом путём подачи метанола па впуске является перспективным научным направлением. На основании поставленной цели сформулированы следующие задачи исследований:

- разработать способ работы дизеля с наддувом при подаче метанола на впуске;

- разработать методику и математическую модель расчёта параметров рабочего цикла и показателей работы дизеля с подачей метанола на впуске;

- провести расчётно-теоретический анализ параметров рабочего цикла и показателей работы дизеля с подачей метанола на впуске, обосновать регулировочные параметры системы для подачи метанола;

- модернизировать систему питания дизеля СМД - 62 для реализации рабочего цикла с подачей метанола на впуске;

- сформировать экспериментальную моторную установку, разработать методику экспериментальных исследований;

- выполнить стендовые моторные исследования индикаторных, эффективных показателей работы и показателей токсичности ОГ дизеля при подаче метанола на впуске;

- разработать рекомендации по применению метанола в качестве моторного топлива в дизеле СМД - 62 при подаче на впуске;

- оценить технико-экономическую эффективность дизеля с подачей метанола на

впуске.

Во втором разделе представлен способ работы дизеля с подачей метанола на впуске, приведена методика расчета количества подаваемого во впускной тракт метанола, математическая модель и результаты расчета параметров рабочего цикла и показателей работы дизеля с подачей метанола.

На рисунке 1 представлена схема предлагаемого способа организации рабочего цикла дизеля с подачей метанола на впуске. Во впускной тракт перед турбокомпрессором установлена пневматическая форсунка. Подача и регулирование расхода метанола производится устройством для подачи метанола. Распыливание метанола осуществляется форсункой с помощью сжатого воздуха, подаваемого штатным компрессором. На нагрев и испарение метанола затрачивается часть теплоты наддувочного воздуха, в результате чего снижается его температура и увеличивается плотность свежего заряда на впуске, что создаёт предпосылки для улучшения эффективных показателей и уменьшения выбросов вредных веществ с ОГ.

1 - устройство для подачи метанола;

2 - компрессор;

3 - пневматическая форсунка;

4 - цилиндр дизеля;

5 - турбокомпрессор

Воздух 2/

-> ОтраВотаЬшие газы Метанол

-£> Сжатый Воздух — Спесь Воздуха с метанолом

Рисунок 1 - Схема организации рабочего процесса дизеля при подаче метанола на

впуске.

Особенностями расчёта рабочего цикла дизеля с подачей метанола на впуске являются: во-первых - часть теплоты наддувочного воздуха расходуется на нагрев и испарение метанола, во-вторых - непосредственное участие метанола в процессе сгорания.

Свежий заряд, представляющий собой смесь воздуха и паров метанола при невысоких давлениях без особой погрешности можно рассматривать как смесь идеальных газов. В таком случае к ним применимы закономерности, сформулированные для смеси идеальных газов.

При подаче метанола на впуске происходит снижение температуры наддувочного воздуха, вследствие затрат тепла на нагрев и испарение метанола. В идеальном случае энтальпия воздуха (Ь), затраченная на испарение метанола, полностью возвращается с парами метанола в воздух, поэтому процесс можно рассматривать при условии Ь=соп51. Понижение температуры воздуха при подаче метанола на впуске определяется с использованием следующих выражений.

Уравнение смешения воздуха с парами метанола может быть выражено:

" ^м + §возд " квот = £м ' + ёвозд ' Козд ' 0)

где £м 11 ёвозд ~ массовая доля паров метанола и воздуха в смеси;

Ич и к'м - энтальпия метанола до и после смешения, кДж/кг;

Ьв03д и к'в03д - энтальпия воздуха до и после смешения, кДж/кг.

Так как разность энтальпий воздуха до и после смешения:

^ВОЗД ~ ^ВОЗД = СРвозя ' ^Тк ~ )'

то температура охлаждённого воздуха составит:

= (3)

Рвозд ёвозд

где сРвозд ~ средняя удельная теплоёмкость воздуха при постоянном давлении, кДж/(кгхК);

Тк и Т'к - температура наддувочного воздуха до и после испарения метанола, К.

При условии полного испарения метанола и образования перегретого пара разность энтальпий паров метанола и жидкого метанола можно представить в виде:

К, - К = См • (г3 -тт)+г+сРм п ■ {гк - г;), (4)

где Тппр иГг температура впрыскиваемого метанола, и температура насыщения парами метанола в свежем заряде, К;

г ~ теплота парообразования метанола, кДж/кг;

Си и Срм п - средние удельные теплоёмкости метанола и паров метанола при

постоянном давлении, кДж/(кгК).

В формуле 4 первое слагаемое правой части представляет количество теплоты, затрачиваемое на нагрев метанола, второе - количество теплоты, затрачиваемое на парообразование, третье - количество теплоты, затрачиваемое на перегрев паров метанола. Поскольку См и Срм п « г , то в небольшом интервале изменения температур первым и последним слагаемым можно пренебречь.

Т'к = Тк — -==—---(5)

Тогда температура охлаждённого воздуха будет определяться формулой:

___8м_

СРвозд ёвозд

Следует отметить, что теплоёмкость воздуха и скрытая теплота парообразования не являются постоянными величинами, но в небольшом интервале температур их изменением также можно пренебречь.

Теоретически необходимое количество воздуха Ц (кмоль) для сгорания одного килограмма дизельного топлива и у кг метанола определяется по следующему выражению:

1

¿0 =

0,208

СДт +уСм НДт+у/Нм 0Дя+уОм 12 4 32 ,

(о)

где СЯт, НДт и 0Дт - суммарная доля углерода, водорода и кислорода в дизельном топливе;

См, IIм и 0м - суммарная доля углерода, водорода и кислорода в метаноле. Средняя молярная теплоемкость заряда в конце сжатия Jic , с учетом метанола определяется:

77 - J* 7T W а. (\ ГМ) Т,воз^УХА (7)

M?vc 1 • /'rv, + V - Г1 yVcvc ' {П

где г" - объёмная доля паров метанола в свежем заряде:

—. (8) ' Vм-мх juM -молярная масса паров метанола, кг/кмоль;

Д^, - средняя молярная теплоёмкость паров метанола при параметрах свежего заряда, кДж/(кмоль-К);

- средняя молярная теплоёмкость воздуха при параметрах свежего заряда, кДж/(кмоль • К).

Температуру в конце сгорания определяем из уравнения сгорания:

aL0(\+yr)

где р - расчётный коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси;

Pcpz ~ СРСЛНЯЯ молярная теплоёмкость продуктов сгорания, кДж/(кмоль-К);

f -температура в конце сгорания, К;

£ - коэффициент использования теплоты;

qaя _ низшая теплота сгорания дизельного топлива, кДж/кг;

Qfj - низшая теплота сгорания метанола, кДж/кг;

а - коэффициент избытка воздуха;

jc - температура в конце сжатия, К;

•цс - средняя молярная теплоёмкость заряда в конце сжатия, кДж/(кмоль-К); X - степень повышения давления.

Далее тепловой расчёт параметров рабочего цикла производится согласно известной методике.

Результаты расчета параметров впуска показывают, что температура наддувочного воздуха снижается при увеличении подачи метанола. При этом максимально возможное количество испаряющегося метанола при условиях впуска составляет 37 кг/ч. Однако, в связи с ограничением по жесткости рабочего цикла, подача метанола составляет не более 14 кг/ч. При данной подаче происходит снижение температуры наддувочного воздуха на 18 К по сравнению со штатным циклом. Уменьшение температуры наддувочного воздуха вызывает рост плотности свежего заряда на впуске и увеличивает массовое наполнение цилиндров. При допустимой подаче метанола, в связи со снижением температуры надувочного воздуха, плотность заряда увеличивается на 5 % по сравнению со штатным циклом. Вследствие роста плотности заряда несколько увеличиваются гидравлические потери во впускном тракте, что вызывает незначительное уменьшение коэффициента наполнения.

Результаты расчета рабочего цикла дизеля с подачей метанола на впуске при условии сохранения расхода дизельного топлива на уровне штатного цикла показывают, что при подаче метанола в количестве 14 кг/ч температура в конце впуска снизилась на 18 К, максимальная температура цикла соответствует уровню штатного цикла. В связи с тем, что метанол является топливом и участвует в процессе сгорания, происходит увеличение площади индикаторной диаграммы цикла с подачей метанола по сравнению со штатным циклом, что обеспечивает увеличение работы цикла и форсирование двигателя.

Результаты расчета рабочего цикла дизеля с подачей метанола на впуске при условии сохранения эффективной мощности на уровне штатного цикла с целью частичного замещения дизельного топлива метанолом показывают снижение температурного режима цикла (например, максимальная температура цикла снизилась на 88 К по сравнению со штатным циклом), что предопределяет условия замедления реакций образования оксидов азота и снижения тепловой нагрузки на детали дизеля при индикаторной работе, соответствующей штатному циклу.

На рисунке 2 представлено изменение эффективных показателей дизеля СМД - 62 при форсировании. При увеличении подачи метанола на впуске происходит улучшение эффективных показателей. Так при подаче метанола в количестве 14 кг/ч эффективная мощность дизеля увеличивается на 10 %, при этом расход дизельного топлива остается на уровне штатного цикла 28,4 кг/ч. Удельный энергетический расход топлив увеличивается на 11 %, что связано с дополнительным количеством теплоты, полученной от сгорания метанола, при этом удельный эффективный расход дизельного топлива снижается с 220 г/кВт-ч до 200 г/кВт-ч (на 9%), что объясняется ростом эффективной мощности.

На рисунке 3 представлено изменение эффективных показателей дизеля при частичном замещении дизельного топлива метанолом с сохранением эффективной мощности на уровне штатного цикла. Так при подаче метанола в количестве 14 кг/ч расход дизельного топлива снизился на 12 %. Удельный эффективный расход дизельного топлива снизился до 198 г/кВт -ч (на 10 %).

Анализ результатов расчета теплового баланса показывает, что в цикле с подачей метанола при форсировании двигателя, несмотря на абсолютный рост теплоты эквивалентной эффективной работе, относительное ее значение снижается на 4% в связи с ростом теплоты, передаваемой системе охлаждения. В данных условиях цикл с подачей метанола для частичного замещения дизельного топлива более рационален, так как в меньшей степени происходит относительное снижение теплоты эквивалентной эффективной работе (3%) и не увеличиваются потери теплоты в систему охлаждения и потери теплоты, теряемой с отработавшими газами.

Рисунок 2 - Изменение эффективных показателей работы дизеля СЛЩ— 62 при форсировании.

Рисунок 3 - Изменение эффективных показателей работы дизеля СМД- 62 при частичном замещении дизельного топлива метанолом.

Таким образом, расчётно-теоретический анализ параметров рабочего цикла дизеля показывает, что подача метанола на впуске снижает температуру наддувочного воздуха и, как следствие, цикла, тем самым уменьшая тепловую нагрузку на детали двигателя и создавая условия уменьшения выбросов оксидов азота с отработавшими газами. При форсировании достигается увеличение мощности дизеля до 142 кВт (на 10%) при расходе дизельного топлива, соответствующего значению штатного цикла - 28,4 кг/ч. При частичном замещении дизельного топлива метанолом при номинальной эффективной мощности уровня штатного цикла (129 кВт) достигается снижение расхода дизельного топлива на 3,4 кг/ч (на 12%).

В третьем разделе приведены общая и частные методики экспериментальных исследований, дано описание экспериментальной установки, применяемой аппаратуры и разработанного устройства для подачи метанола.

Экспериментальная установка представляет собой комплекс, который включает дизель СМД - 62, обкаточно-тормозной стенд КИ - 5540М, контрольно-измерительные приборы, комплект приборов «Мива-С», оборудование для индицирования (тензоусили-тель ТОПАЗ-З, модуль АЦП-ЦАГ1 16/16 «Sigma USB»). Дизель оборудован системой подачи метанола во впускной трубопровод, состоящей из емкости для хранения метанола, устройства для замера расхода метанола, устройства для подачи метанола и регулировки его количества, пневматической форсунки, компрессора, трубопроводов.

Методика предусматривает проведение сравнительных лабораторно-стендовых исследований показателей работы и токсичности ОГ дизеля в два этапа.

На первом этапе проводятся экспериментальные исследования влияния подачи метанола на параметры и показатели работы дизеля со штатными регулировочными параметрами для определения рациональных регулировочных параметров подачи метанола.

Изменяемым параметром в ходе эксперимента является количество подаваемого метанола при постоянной частоте вращения коленчатого вала и положении рычага управления регулятором ТНВД. Дальнейшие исследования данного этапа проводятся для определения рационального угла опережения впрыска дизельного топлива (УОВТ) при постоянной подаче метанола.

На втором этапе проводятся исследования работы дизеля при подаче метанола на впуске для оценки максимально возможного замещения в рабочем цикле дизельного топлива метанолом. Изменяемые параметры в ходе эксперимента - количество подаваемого метанола и дизельного топлива. Факторами, ограничивающими подачу метанола, являются жесткость работы и температурный режим дизеля. Исследования проводятся на режимах частичных нагрузок.

При проведении экспериментальных исследований производится замер частоты вращения; давления в камере сгорания; расходов топлив, воздуха; температуры воздуха до и после турбокомпрессора; эффективной мощности; температуры ОГ; проводится отбор проб отработавших газов для оценки токсичности ОГ; контролируется температурный режим работы двигателя, давление в системе смазки.

При проведении экспериментальных исследований используется дизельное топливо Л - 0,2 - 45 ГОСТ 305 - 82 и моторное масло М - 10 Г2К ГОСТ 17479.1 - 85, рекомендованные для данного типа дизелей и взятые из одной партии. Определение основных показателей дизеля проводится в соответствии с требованиями ГОСТ 18509-88. Измерение токсичности ОГ производится с помощью газоанализатора «АВТОТЕСТ - 02 СО -С02 - СН - 02 - МОх - л. - Т». Дымность отработавших газов замеряется с помощью ды-момера ИНФРАКАР-Д.

В четвертом разделе приведены результаты экспериментальных исследований.

Результаты обработки полученных в ходе испытаний индикаторных диаграмм рабочего цикла дизеля с подачей метанола на впуске представлены на рисунке 4.

Результаты обработки диаграмм, полученные в ходе индицирования дизеля на первом этапе исследований, ограничивают по жесткости рабочего цикла подачу метанола в количестве 11 кг/ч (рисунок 4а). Рост жесткости работы дизеля объясняется высокой скоростью сгорания метанола при воспламенении дизельного топлива. При подаче метанола в количестве 11 кг/ч максимальное давление цикла не изменяется по сравнению со штатным циклом и составляет 8,3 МПа. Снижение максимальной температуры в камере сгорания на 75 К (3%) происходит за счет испарительного охлаждения наддувочного воздуха, а также за счет выгорания большей части топлив в фазе быстрого горения, что показывает сравнение динамик относительного количества выгоревшего топлива X штатного цикла и цикла с подачей метанола на впуске.

В связи со смещением УОВТ (рисунок 46) с 26...° до 18...° происходит рост максимальной температуры в камере сгорания на 100 К. Участие метанола в процессе сгорания ускоряет выгорание топлив (Л^) в фазах диффузного горения и догорания, вследствие чего происходит более интенсивное снижение температуры на линии расширения, чем в штатном цикле.

В цикле с частичным замещением (рисунок 5) при подаче метанола на впуске в количестве 14 кг/ч достигается большая глубина охлаждения наддувочного воздуха. Максимальная температура в камере сгорания на 25 К выше чем в штатном цикле, что объясняется участием в процессе сгорания метанола. Также, по сравнению со штатным циклом, происходит более полное выгорание топлив {X), что положительно сказывается на экологических показателях работы дизеля. Максимальное давление в конце сгорания практически не изменилось и составило 8,4 МПа.

- Штныи цикл - Шпшш/ цикл

----Цикл с подачей метанола 11 кг/ч ----Цикл с подачей нетанола 11 кг/ч иУОВТЮ ..."

а) б)

а - при штатных регулировках ДТА и подаче метанола Gm=I 1 кг/ч; б - при рациональном УОВТ <р=18...° и подаче метанола GM=11 кг/ч.

Рисунок 4 - Результаты обработки индикаторных диаграмм дизеля СМД- 62 при подаче метанола на впуске.

На рисунке 6 представлено изменение показателей работы дизеля СМД -Mb х 62 с подачей метанола на впуске при

штатных регулировках ДТА. Максимальная подача метанола с учетом допустимой скорости нарастания давления составила - 11 кг/ч. При этом изменения показателей следующие. Так, при подаче метанола 11 кг/ч (рисунок 6а) возросли: эффективная мощность двигателя с 91,4 кВт до 95,4 (на 4%), удельный стоимостной расход топлив с 4,4 руб/(кВт-ч) до 4,7 руб/(кВтч) (на 5%), удельный энергетический расход топлив с 11,8 МДж/(кВтч) до 12,5 МДж/(кВт ч) (на 6%). Значение следующих параметров уменьшились: часовой расход с 25,4 кг/ч до 22,9 кг/ч (на 10%), температура наддувочного воздуха с 96 °С до 90 °С (на 6%), температура отработавших газов с 520 °С до 500 °С

- Штюттцикп

(на 4%), температура двигателя с 85 С

----Цикл с подачей гагата К кг/1 и УОВТ 18 „_ . _„.. „ ,,

до 81 °С (на 5%), удельный эффективный Рисунок 5 - Результаты обработки расход дизельного топлива с 277 г/(кВтч) индикаторных диаграмм дизеля СМД - 62 до 242 г/(кВт-ч) (на 13%), дымность ОГ с

при частичном замещении дизельного топлива метанолом ((р-18... Gm=14 кг/ч).

0,5 м'1 до 0,36 м'1 (на 28%). Выбросы оксидов азота остались на прежнем уровне - 3530 ррш. При подаче метанола более 11 кг/ч наблюдается увеличение жесткости работы дизеля свыше допустимых пределов, увеличение температуры двигателя и температуры отработавших газов, свидетельствующие о недопустимости эксплуатации дизеля на данных режимах. При подачах метанола менее 11 кг/ч изменение эффективных показателей, температур, показателей экономичности менее существенны.

По результатам данных исследований можно сделать вывод, что с увеличением подачи метанола улучшаются эффективные и экологические показатели, снижается теп-лонапряжённость деталей двигателя. Рациональная подача метанола при штатном угле УОВТ, с учетом допустимой жесткости работы составила 11 кг/ч.

Известно, что уменьшение УОВТ снижает жесткость работы, в связи с чем, дальнейшие исследования данного этапа проводились для определения рационального угла УОВТ при работе дизеля с подачей метанола на впуске. Исследования проводились при постоянных подаче метанола в количестве 11 кг/ч и частоте вращения в условиях регулировочной характеристики по УОВТ.

Показатели работы дизеля при изменении УОВТ представлены на рисунке 66. Как видно из графиков изменения показателей, наивыгоднейшее значение УОВТ соответствует 18...° П.В.Д. до ВМТ. При этом возросли значения следующих показателей по сравнению с режимом работы двигателя на штатном угле опережения впрыска и подаче метанола 11 кг/ч: эффективная мощность с 95,4 кВт до 98,8 кВт (на 4%), дымность ОГ с 0,36 м"' до 0,45 м'1 (на 25%). Уменьшились значения следующих показателей: удельный стоимостной расход топлив с 4,7 руб/(кВт-ч) до 4,4 руб/(кВт-ч) (на 6%), удельный эффективный расход дизельного топлива с 242 г/(кВт-ч) до 228 г/(кВт-ч) (на 6%), удельный энергетический расход топлив с 12,5 МДж/(кВт-ч) до 11,8 МДж/(кВтч) (на 6%), выбросы оксидов азота с 3530 ррш до 3190 ррш (на 10%). Остались на прежнем уровне: температура наддувочного воздуха (90 СС), температура отработавших газов (500 °С).

По сравнению с работой двигателя по штатному дизельному циклу мощность увеличилась с 91,4 кВт до 98,8 кВт (на 8%). Уменьшились значения следующих показателей: температура надувочного воздуха с 96 °С до 90 °С (на 6%), температура отработавших газов с 520°С до 500 °С (на 4%), удельный эффективный расход дизельного топлива с 277 г/(кВт-ч) до 228 г/(кВт-ч) (на 18%), дымность ОГ с 0,5 м"! до 0,45 м"1 (на 10%), выбросы оксидов азота с 3530 ррт до 3190 ррш (на 10%). Остались на прежнем уровне: удельный стоимостной расход топлив (4,4 руб/(кВт-ч)), удельный энергетический расход топлив (11,8 МДж/(кВт ч)).

При изменении УОВТ, как в большую, так и в меньшую сторону происходит ухудшение показателей. Так, при УОВТ 15..." п.в.д. до ВМТ мощность двигателя составила 95,4 кВт, как и при штатном УОВТ. Увеличились удельный стоимостной расход топлив до 4,48 руб./(кВт-ч), удельный эффективный расход дизельного топлива до 231 г/(кВт-ч). При УОВТ 26...° п.в.д. до ВМТ выросли значения температуры наддувочного воздуха до 90 °С, температуры отработавших газов до 500 °С при уменьшении мощности до 94,5 кВт. Выбросы оксидов азота увеличились до 3530 ррш.

Таким образом, в результате данных исследований определен рациональный УОВТ - 18...° п.в.д. до ВМТ, позволяющий форсировать дизель подачей метанола на впуске на 8% при энергетических топливных затратах, соответствующих штатному циклу.

1

к

/ ю,

д*

/

/

/ -

V. S

V а?

От

ч е,

hr

Л'р

ы

1

—A—L 1 :— ы

& -а)

125

/ffiMWW

123 i

I.22 i

121 Я*

120

119

118

t60 | <5» grm (AO

95] 92

4/1 Ь

os

Oi 0.35

260 г/к8т*ч

j 2(0 „ 230 ee

220

21 кг/ч

I 22 ft 21 520 } t '"500 (90 (SO

Ю0

I °c

85

С

X

6)

27

а - регулировочная характеристика по количеству подаваемого метанола на впуске и штатных регулировках ДТА; б - регулировочная характеристика по углу опережения впрыска дизельного топлива при подаче метанола на впуске (Ом=11 кг/ч).

Рисунок 6—Показатели работы дизеля СМД —62 с подачей метанола на впуске.

На втором этапе исследований при определении максимально возможного замещения дизельного топлива метанолом получены зависимости изменения показателей работы дизеля от количества подаваемого метанола на впуске при УОВТ 18...° п.в.д. до ВМТ (рисунок 7). Максимальная подача метанола с учетом допустимой скорости нарастания давления составила 14 кг/ч. При этом динамика показателей следующая.

Снизились показатели: расход дизельного топлива с 25,36 кг/ч до 20 кг/ч (на 21%), температура наддувочного воздуха на 6°С, температура двигателя с 87 °С до 83 °С, удельный эффективный расход дизельного топлива с 278 г/(кВт ч) до 212 г/(кВт-ч) (на 24%). Температура отработавших газов составила 500 °С. Удельный стоимостной расход топлив остался на уровне 4,5 руб/(кВт-ч). Удельный энергетический расход тонлив также не изменился и составил 12 МДж/(кВт-ч).

■ as

1

k as

045

at

! 3300

NO.

3100 230 г/кВт*ч I 260

I 250 240 230 S' 220

26

кг/ч,

I *

I 23 22 21

20 500

U

km m iso

&

i 1 —

- - Г-- - __ — — - к

ма

qa»

- -

--S

%

9"

1

&

/«.-

(к

1„

Ы

ш

руд/кВ/П'ч! 4 60 { ISO Ш

МОх/Ш-i

* t

11 g»

%

«finj

»/ft 91

Рисунок 7 - Характеристика дизеля СМД-62 с подачей метанола на впуске по количеству подаваемого метанола (<рт=18...°п.в.д. до ВМТ).

По сравнению с работой дизеля по штатному циклу уменьшились значения следующих показателей: температура отработавших газов с 520 °С до 500 °С (на 4%), температура наддувочного воздуха с 96°С до 90 °С (на 6%), удельный эффективный расход дизельного топлива с 277 г/(кВт ч) до 212 г/(кВгч) (на 23%), дымиость ОГ с 0,8 м'1 до 0,4 м'1 (на 50%), выбросы оксидов азота с 3530 ррт до 3250 ррт (на 8%), часовой расход дизельного топлива с 25,4 кг/ч до 20 кг/ч (на 21%). Незначительно выросли: удельный стоимостной расход топлив с 4,44 руб/(кВтч) до 4,46 руб/(кВт ч) (на 0,5%), удельный энергетический расход топлив с 11,8 МДж/(кВт ч) до 12 МДж/(кВт-ч) (на 2%).

При дальнейшем увеличении подачи метанола значение мгновенной жесткости превышает допустимую (рисунок 5), что предопределяет невозможность эксплуатации дизеля на данных режимах.

Таким образом, результаты проведенных исследований показывают частичное замещение дизельного топлива метанолом в рабочем цикле дизеля на 21%, при уровне динамических нагрузок, соответствующих штатному циклу. При этом достигнуто улучшение экологических показателей (дымности на 50 %, выбросов оксидов азота на 8 %). Снижения температуры наддувоч-

ного воздуха на 6 % и температуры отработавших газов на 4 % определяют снижение теплонапряженности деталей двигателя.

В пятом разделе на основании комплексного анализа показателей работы и токсичности отработавших газов дизеля с подачей метанола на впуске установлено, что для достижения максимально возможной экономии дизельного топлива, при сохранении мощности на уровне штатного цикла, на дизеле СМД - 62 рекомендуется УОВТ 18 при этом получена зависимость подачи метанола от давления наддува, которая описывается уравнением в интервале 1,3< х< 60, при х < 1,3 у = 0:

Y = 0,498 хХ- 0,0042 х X2 - 0,6422

(Ю)

где X - давление наддува, кПа; У - требуемая подача меганола, кг/ч.

Наличие закона подачи метанола позволяет дальнейшие исследования направить на автоматизацию системы подачи метанола путем организации ее электронного управления.

В шестом разделе рассчитана экономическая эффективность трактора Т - 150К при организации рабочего цикла дизеля СМД - 62 с подачей метанола на впуске.

При организации рабочего цикла дизеля СМД - 62 с подачей метанола на впуске рассчитано снижение затрат на единицу механизированных работ трактором Т - 150К на 20 % за счет экономии дизельного топлива. При годовой наработке 2000 условных эталонных гектаров на 1 трактор ожидаемый годовой экономический эффект, с учётом дополнительных затрат на метанол, модернизацию системы питания и её техническую эксплуатацию составляет 3400 рублей (в ценах 2009г.).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Растущий дефицит тонлив нефтяного происхождения и загрязнение продуктами их сгорания окружающей среды создают условия для широкого применения альтернативных топлив в ДВС. Анализ способов применения альтернативных топлив и добавок к традиционным топливам позволяет сделать вывод о целесообразности и перспективности использования в рабочем цикле двигателей метанола, при подаче в жидком виде на впуске. При этом вопросы применения метанола на впуске наддувных дизелей в настоящее время изучены недостаточно.

2. Разработанные методика и математическая модель расчета параметров рабочего цикла учитывают особенности работы дизеля при организации работы с подачей метанола на впуске. Выполненные теоретические исследования позволили установить рациональные регулировочные параметры подачи метанола, при которых создаются условия для улучшения эффективных и экологических показателей. Так при подаче метанола 14 кг/ч эффективная мощность возрастает на 10 %, достигается экономия дизельного топлива на 12 %. При этом, за счёт испарительного охлаждения происходит снижение температурного режима цикла, что создаёт условия для уменьшения эмиссии оксидов азота.

3. На основании проведённых экспериментальных исследований установлены следующие количественные характеристики и закономерности изменения эффективных показателей и токсичности отработавших газов при работе дизеля СМД - 62 с подачей метанола на впуске:

- при испытаниях в условиях форсирования дизеля по сравнению с работой двигателя по штатному дизельному циклу мощность увеличилась с 91,4 кВт до 98,8 кВт (на 8%). Уменьшились значения температуры наддувочного воздуха с 96 °С до 90 °С (на 6%), температуры отработавших газов с 520°С до 500 °С (на 4%), удельного эффективного расхода дизельного топлива с 277 г/(кВт-ч) до 228 г/(кВтч) (на 18%), дымности ОГ с 0,5 м"1 до 0,45 м-1 (на 10%), выбросов оксидов азота с 3530 ррт до 3190 ррт (на 10%). Удельный стоимостной расход топлив (4,4 руб/(кВт-ч)) и удельный энергетический расход топлив (11,8 МДж/(кВтч)) не изменились;

- при испытаниях в условиях частичного замещения дизельного топлива метанолом по сравнению с работой дизеля по штатному циклу уменьшились значения температуры отработавших газов с 520 °С до 500 °С (на 4%), температуры наддувочного воздуха с 96°С до 90 °С (на 6%), удельного эффективного расхода дизельного топлива с 277 г/(кВт-ч) до 212 г/(кВт-ч) (на 23%), дымности ОГ с 0,8 м"' до 0,4 м"' (на 50%), выбросов оксидов азота с 3530 ррт до 3250 ррт (на 8%), часового расхода дизельного топлива 25,4 кг/ч до 20 кг/ч (на 21%). Незначительно выросли значения удельного стоимостного расхода топлив с 4,44 руб/(кВт-ч) до 4,46 руб/(кВт-ч) (на 0,5%), удельного энергетического расхода топлив с 11,8 МДж/(кВт-ч) до 12 МДж/(кВт-ч) (на 2%).

4. В результате выполненных теоретических и экспериментальных исследований создан макетный образец наддувного дизеля с модернизированной системой питания, рабочий цикл которого организован с подачей метанола на впуске. При реализации работы дизеля СМД - 62 с модернизированной системой питания при подаче метанола на впуске достигнуто форсирование дизеля на 8 %, замещение 21 % дизельного топлива, уменьшение дымности ОГ в 2 раза и выбросов оксидов азота на 8 %.

5. На основании анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований установлена регулировочная зависимость количества подаваемого метанола на впуске от давления наддувочного воздуха в условиях внешней регуляторпой характеристики, аналитически описываемая уравнением Y = 0,498 х X - 0,0042 х X1 - 0,6422 •

6. Годовой экономический эффект эксплуатации трактора Т- 150К, оснащённого дизелем СМД - 62 с модернизированной системой питания, с учётом дополнительных затрат на метанол, модернизацию системы питания и её техническую эксплуатацию, составляет 3400 рублей (в ценах 2009 г) при годовой наработке 2000 условных эталонных гектар.

7. Результаты экспериментальных исследований в основном подтверждают теоретические предпосылки. Максимальное расхождение обнаружено по часовому расходу дизельного топлива и составляет 8 %. Данное расхождение объясняется сложностью аналитического расчета интенсификации процесса горения дизельного топлива в присутствии метанола.

8. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедрах «Тракторы и автомобили», «Техническая эксплуатация автомобилей» Тверской ГСХА при подготовке студентов по специальности 110301 и 190601. Техническое описание модернизированной системы питания дизеля СМД - 62 передано в ЗАО «Научный инженерно-технический центр» с целью создания конструкторской документации.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: _Статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ:

1. ¡Николаенко А.В| Горбатенков А.И., Смирнов А.Ю. На впуске дизеля подаётся метанол // Сельский механизатор. - 2008. - № 1. - С. 42 - 44.

Статьи:

2. Андрощук B.C., Панов Ю.А., Смирнов А.Ю. Возможности снижения токсичности отработавших газов двигателей внутреннего сгораиия // Проблемы социально-экономического развития села Тверской области: Сб. науч. трудов. - Тверь: ТГСХА, 2003. -С. 178- 179.

3. Панов Ю.А., Смирнов C.B., Смирнов А.Ю. Тепловой баланс дизеля СМД-62 с испарительным охлаждением наддувочного воздуха. // Достижения сельскохозяйственной науки - развитию агропромышленного комплекса: Сб. науч. трудов. - Тверь: ТГСХА, 2004.-С. 269-271.

4. Андрошук B.C., Смирнов C.B., Смирнов А.Ю. Влияние испарительного охлаждения наддувочного воздуха на износостойкость дизеля СМД - 62. // Достижения сельскохозяйственной науки - развитию агропромышленного комплекса: Сб. науч. трудов. -Тверь: ТГСХА, 2004. - С. 271 - 273.

5. Горбатенков А.И., Смирнов C.B., Смирнов А.Ю. Результаты экспериментальных исследований работы дизеля СМД - 62 с испарительным охлаждением наддувочного воздуха. // Достижения сельскохозяйственной науки - развитию агропромышленного комплекса: Сб. науч. трудов. - Тверь: ТГСХА, 2004. - С. 273 - 277.

6. Андрощук B.C., Смирнов C.B., Смирнов А.Ю. Снижение токсичности отработавших газов дизеля СМД-62 путём применения испарительного охлаждения наддувочно-

го воздуха. // Достижения сельскохозяйственной науки - развитию агропромышленного комплекса: Сб. науч. трудов. - Тверь: ТГСХА, 2004. - С. 277 - 280.

7. Андрощук B.C., Смирнов АЛО. Анализ использования метанола в рабочем цикле ДВС. // Актуальные проблемы аграрной науки и практики: Сб. науч. трудов. - Тверь: ТГСХА, 2005.-С. 218-219.

8. Панов Ю.А., Смирнов А.Ю. Теоретическое исследование показателей работы дизеля СМД-62 при подаче метанола на впуске. // Актуальные проблемы аграрной науки и практики: Сб. науч. трудов. - Тверь: ТГСХА, 2005. - С. 219 - 222.

9. Андрощук B.C., Смирнов А.Ю. Обоснование регулировочных параметров подачи метанола на впуске при штатных регулировках дизеля СМД - 62. // Научное обеспечение национального проекта «Развитие АПК»: Сб. науч. трудов. - Тверь: ТГСХА, 2006. -С. 247-249.

10. Панов Ю.А., Смирнов А.Ю. Обоснование оптимального угла начала подачи топлива при подаче метанола на впуске дизеля СМД - 62. // Научное обеспечение национального проекта «Развитие АПК»: Сб. науч. трудов. - Тверь: ТГСХА, 2006. - С. 251 -253.

11. Горбатенков А.И., Смирнов А.Ю. Результаты исследований по использованию метанола как альтернативного топлива. // Научное обеспечение национального проекта «Развитие АПК»: Сб. науч. трудов. - Тверь: ТГСХА, 2006. - С. 249 - 251.

12. Горбатенков А.И., Смирнов А.Ю. Экспериментальное обоснование регулировочных параметров системы питания дизеля СМД - 62 при подаче метанола на впуске. // Сб. науч. тр. междунар. науч.-техн. конф - С-Петербург: СПбГАУ, 2007 г. - С. 311 -321.

13. Панов Ю.А., Цыганков М.Н., Смирнов А.Ю. Обработка индикаторных диаграмм дизеля СМД-62 при подаче метанола на впуске. // Стабилизация производства и развитие агропромышленного комплекса региона на основе внедрения инновационных технологий: Сб. науч. трудов. - Тверь: ТГСХА, 2007. - С. 240 - 244.

14. Смирнов А.Ю. Разработка рекомендаций по применению в дизеле метанола, подаваемого на впуске. II Современные технологии агропромышленного производства: Сб. науч. трудов. - Тверь: ТГСХА, 2009. - С. 51 - 54.

Смирнов Артем Юрьевич

УЛУЧШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗА ГЕЛЕЙ АВТОТРАКТОРНЫХ ДИЗЕЛЕЙ С НАДДУВОМ ПУТЕМ ПОДАЧИ МЕТАНОЛА НА ВПУСКЕ

Специальность: 05.04.02 - Тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Формат 60*48 1/16. Бумага типографская. Гарнитура шрифта «Times» Печать ризографическая Усл. печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ 451.

Издательство TTCXA «АГРОСФЕРА» Россия, 170904, г. Тверь, п. Сахарово, Ул. Василевского, д. 7. Тел. (4S22J 53-12-36

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1 Анализ способов применения альтернативных топлив и топливных добавок в двигателях внутреннего сгорания.

1.2 Анализ физико-химических свойств метанола как топлива для ДВС.

1.3 Способы подачи метанола в ДВС.

1.4 Задачи исследований.

2. РАСЧЁТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ЦИКЛА И ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАБОТЫ ДИЗЕЛЯ ПРИ ПОДАЧЕ МЕТАНОЛА НА ВПУСКЕ.

2.1 Способ работы дизеля с подачей метанола на впуске.

2.2 Методика и математическая модель расчётно-теоретического анализа параметров рабочего цикла и показателей работы дизеля с подачей метанола на впуске.

2.3 Результаты расчётно-теоретического анализа параметров рабочего цикла и показателей работы дизеля при подаче метанола на впуске.

2.4 Расчётно-теоретический анализ теплового баланса дизеля при подаче метанола на впуске.

3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1 Общая методика.

3.2 Методика безмоторных исследований по обоснованию выбора агрегатов системы подачи метанола во впускной трубопровод.

3.3. Методика исследования параметров свежего заряда.

3.4 Методика индицирования двигателя.

3.5 Методика исследования эффективных показателей.

3.6 Методика исследования температуры и токсичности отработавших газов.

3.7 Обработка результатов и погрешности измерений.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

4.1 Результаты безмоторных испытаний системы подачи метанола во впускной тракт.

4.2 Результаты экспериментальных исследований параметров рабочего цикла и показателей работы дизеля при определении регулировочных параметров подачи метанола на впуске.

4.3 Результаты экспериментальных исследований параметров рабочего цикла и показателей работы дизеля по замещению дизельного топлива метанолом, подаваемым на впуске.

5. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ МЕТАНОЛА.

6. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРЕДЛАГАЕМЫХ

МЕРОПРИЯТИЙ.

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) - наиболее распространенный тип тепловых двигателей. На их долю приходится порядка 80% всей вырабатываемой в мире механической энергии, при этом ДВС потребляют значительное количество природных материалов и сырья, которые относятся к исчерпае-мым ресурсам. Учитывая тенденции удорожания нефтепродуктов при сокращении запасов нефти на земле, особую остроту приобрела проблема повышения топливной экономичности.

Кроме того, ДВС являются одними из основных загрязнителей окружающей среды. К концу XX века в результате бурного развития промышленности и транспорта возникла проблема защиты окружающей среды от загрязнения ее токсичными веществами. Особенно опасным источником загрязнения атмосферы является интенсивная автомобилизация, происходящая во многих странах. В значительной степени именно она обусловила загрязнение воздуха отработавшими газами в городах, в населенных пунктах, в промышленных районах. Наличие токсичных компонентов (оксидов углерода, оксидов азота, углеводородов и других) в отработавших газах ДВС, выбрасываемых в атмосферу, создает опасность для здоровья людей и, в частности, по исследованиям онкологов является причиной возникновения раковых заболеваний. Токсичность отработавших газов ДВС обуславливается их конструктивными и регулировочными факторами, видом используемых топлив и масел, а также протеканием процесса сгорания, условиями работы и технического состояния двигателя.

Снижение содержания одного из токсичных компонентов зачастую приводит к повышению содержания другого. Это обуславливается особенностями и различиями в механизмах образования продуктов неполного сгорания топлива и связанной с этим топливной экономичностью ДВС. Успешное выполнение этих сложных задач, не имеющих однозначных решений, возможно лишь на основе проведения углубленных теоретических и экспериментальных исследований с использованием современных методов и средств.

Принимая во внимание отмеченные факторы, проблемы уменьшения загрязнения атмосферы токсичными веществами, выделяемыми ДВС, и повышения их экономичности приобретают особую остроту и выходят за рамки частной задачи двигателестроения. Существенного улучшения качества смесеобразования, сгорания, повышения экономичности работы дизеля и уменьшения токсичных выбросов с отработавшими газами возможно достичь использованием альтернативных видов топлива. Применение в ДВС новых видов топлива ненефтяного происхождения позволяет частично решить не только энергетическую проблему, но и целый ряд экологических вопросов, связанных со снижением токсичности отработавших газов (ОГ). Использование в рабочем цикле альтернативных топливных добавок совместно с традиционными топливами также решает вопросы улучшения эффективных показателей и снижения токсичности ОГ двигателей.

В связи с этим, проблематика улучшения эффективных и экологических показателей автотракторных дизелей с наддувом путем подачи метанола на впуске является актуальной и требует научно-обоснованных решений.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Растущий дефицит топлив нефтяного происхождения и загрязнение продуктами их сгорания окружающей среды создают условия для широкого применения альтернативных топлив в ДВС. Анализ способов применения альтернативных топлив и добавок к традиционным топливам позволяет сделать вывод о целесообразности и перспективности использования в рабочем цикле двигателей метанола, при подаче в жидком виде на впуске. При этом вопросы применения метанола на впуске наддувных дизелей в настоящее время изучены недостаточно.

2. Разработанные методика и математическая модель расчета параметров рабочего цикла учитывают особенности работы дизеля при организации работы с подачей метанола на впуске. Выполненные теоретические исследования позволили установить рациональные регулировочные параметры подачи метанола, при которых создаются условия для улучшения эффективных и экологических показателей. Так, при подаче метанола 14 кг/ч эффективная мощность возрастает на 10 %, достигается экономия дизельного топлива на 12 %. При этом, за счёт испарительного охлаждения происходит снижение температурного режима цикла, что создаёт условия для уменьшения эмиссии оксидов азота.

3. На основании проведённых экспериментальных исследований установлены следующие количественные характеристики и закономерности изменения эффективных показателей и токсичности отработавших газов при работе дизеля СМД - 62 с подачей метанола на впуске:

- при испытаниях в условиях форсирования дизеля по сравнению с работой двигателя по штатному дизельному циклу мощность увеличилась с 91,4 кВт до 98,8 кВт (на 8%). Уменьшились значения температуры наддувочного воздуха с 96 °С до 90 °С (на 6%), температуры отработавших газов с 520°С до 500 °С (на 4%), удельного эффективного расхода дизельного топлива с 277 г/(кВт-ч) до 228 г/(кВт-ч) (на 18%), дымности ОГ с 0,5 м"1 до 0,45 м"1 (на 10%), выбросов оксидов азота с 3530 ррш до 3190 ррт (на 10%). Удельный стоимостной расход топлив (4,4 руб/(кВт-ч)) и удельный энергетический расход топлив (11,8 МДж/(кВт-ч)) не при испытаниях в условиях частичного замещения дизельного топлива метанолом по сравнению с работой дизеля по штатному циклу уменьшились значения температуры отработавших газов с 520 °С до 500 °С (на 4%), температуры наддувочного воздуха с 96°С до 90 °С (на 6%), удельного эффективного расхода дизельного топлива с 277 г/(кВт-ч) до 212 г/(кВт-ч) (на 23%), дымности ОГ с 0,8 м"1 до 0,4 м"1 (на 50%), выбросов оксидов азота с 3530 ррш до 3250 ррш (на 8%), часового расхода дизельного топлива с 25,4 кг/ч до 20 кг/ч (на 21%). Незначительно выросли значения удельного стоимостного расхода топлив с 4,44 руб/(кВт*ч) до 4,46 руб/(кВт-ч) (на 0,5%), удельного энергетического расхода топлив с 11,8 МДж/(кВт-ч) до 12 МДж/(кВт-ч) (на 2%).

4. В результате выполненных теоретических и экспериментальных исследований создан макетный образец наддувного дизеля с модернизированной системой питания, рабочий цикл которого организован с подачей метанола на впуске. При реализации работы дизеля СМД - 62 с модернизированной системой питания при подаче метанола на впуске достигнуто форсирование дизеля на 8 %, замещение 21 % дизельного топлива, уменьшение дымности ОГ в 2 раза и выбросов оксидов азота на 8 %.

5. На основании анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований установлена регулировочная зависимость количества подаваемого метанола на впуске от давления наддувочного воздуха в условиях внешней регу-ляторной характеристики, аналитически описываемое уравнением Г - 0,498 х X - 0,0042 х X2 - 0,6422 .

6. Годовой экономический эффект эксплуатации трактора Т - 150К, оснащённого дизелем СМД - 62 с модернизированной системой питания, с учётом дополнительных затрат на метанол, модернизацию системы питания и её техническую эксплуатацию, составляет 3400 рублей (в ценах 2009 г) при годовой наработке 2000 условных эталонных гектар.

7. Результаты экспериментальных исследований в основном подтверждают теоретические предпосылки. Максимальное расхождение обнаружено по часовому расходу дизельного топлива и составляет 8 %. Данное расхождение объясняется сложностью аналитического расчета интенсификации процесса горения дизельного топлива в присутствии метанола.

8. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедрах «Тракторы и автомобили», «Техническая эксплуатация автомобилей» Тверской ГСХА при подготовке студентов по специальности 110301 и 190601. Техническое описание модернизированной системы питания дизеля СМД - 62 передано в ЗАО «Научный инженерно-технический центр» с целью создания конструкторской документации.

1. Данилов, А. М. Присадки и добавки. Улучшение экологических характеристик нефтяных топлив / А. М. Данилов. М.: Химия, 1996. - 232 с.

2. Смаль, Ф.В. Моторные топлива из альтернативных сырьевых ресурсов / Ф.В. Смаль, Г.А. Терентьев, В.М. Тюков. М.: Химия, 1989. - 194 с.

3. Луканин, В.Н. Применение альтернативных топлив в двигателях внутреннего сгорания / В.Н. Луканин, В. Льотко, A.C. Хачиян. М.: МАДИ(ТУ). -2000.

4. Емельянов, В.Е. Автомобильный бензин и другие виды топлива, ассортимент, применение / В.Е. Емельянов, И.Ф. Крылов. М.: Астрель: Профиздат, 2005.-207с.

5. Лиханов, В.А. Снижение токсичности автотракторных двигателей / В.А. Лиханов, A.M. Сайкин. -М.: Колос, 1994. 224 с.

6. Самсонов, P.O. Современное состояние и перспективы использования природного газа в качестве моторного топлива на транспорте / P.O. Самсонов, A.C. Скаляхо, К.Ю. Чириков. М.: ИРЦ Газпром, 1999. - 61 с.

7. Лыков, О.П. Природный и попутный газ как моторное топливо / О.П. Лыков // Химия и технология топлив и масел. 1999. - № 6. - С. 3 - 7.

8. Гайнуллин, Ф. Г. Природный газ как моторное топливо на транспорте / Ф.Г. Гайнуллин, А.И. Гриценко, Ю.Н. Васильев, Л. С, Золотаревский. М.: Недра, 1986.

9. Пронин, E.H. Перспективы применения СПГ на> транспорте / E.H. Пронин, К.Ю. Чириков // Газовая промышленность. 1999. - № 10. - С. 28 - 29.

10. Генкин, К. И. Газовые двигатели / К. И. Генкин. М.: Машиностроение, 1977.

11. Гольдблат, И.И. Газобаллонные автомобили / И.И. Гольдблат, Г.И Самоль. М.: Машгиз, 1963.

12. Арсенов, Е.Е. Перспективные топлива для автомобилей / Е.Е. Арсенов, Ф.В. Смаль. — М.: Транспорт, 1979.

13. Скотт, У.М. Новые виды топлива для автомобильных дизелей / У.М. Скотт // Перспективные автомобильные топлива / Пер. с англ. — М.: Наука, 1982.

14. Антифеев, В.Н. Альтернативное топливо для России: желаемое и возможное / В.Н. Антифеев // Мировая энергетика. 2005. - №3. - С. 12-16.

15. Вагнер, В. А. Применение альтернативных топлив в ДВС / В. А. Вагнер // Двигателестроение. 2000. - № 3. - С. 12-16.

16. Емельянов, В.Е. Альтернативные экологически чистые виды топлива для автомобилей / В.Е. Емельянов, И.Ф. Крылов. М.: ACT Астрель, 2004. - 128с.

17. Абрамов, С.А. О работах в ФРГ по применению метанола в качестве моторного топлива / С.А. Абрамов, В.А. Гладких, В.П. Попов // Двигателестроение. —1983. -№ 8.

18. Гаиворонский, А.И. Рапсовое масло как альтернативное топливо для дизелей / А.И. Гаиворонский, С.Н. Денянин, В.А. Марков, Е.Г. Пономарев // Автомобильная промышленность. 2006. - №2.

19. Головенчик, Е. Зарубежный опыт организации производства и использования дизельного биотоплива на основе продуктов переработки рапсового масла / Е. Головенчик // Агроэкономика. 2005. - № 8. - С. 40 - 42.

20. Краснощекое, Н.В. Биологическое моторное топливо для дизелей на основе рапсового масла / Н.В. Краснощекое, Г.С. Савельев // Тракторы и с.-х. машины. 2005. - № 10. - С. 11 - 16.

21. Белов, В. Биотопливо из рапса / В. Белов //Сельский механизатор. -2004.-№5.-С. 32.

22. Онойченко, С.Н. Применение оксигенатов при производстве перспективных автомобильных бензинов / С.Н. Онойченко. М.: Техника, 2003. - 64 с.

23. Переработка нефти и нефтехимия. Экспресс-информация ЦНИИТЭ Нефтехим. 2001. - № 3. - С. 3 - 5.

24. Смирнова, Т. Н. Использование диметилового эфира в качестве моторного топлива дизельных двигателей / Т.Н. Смирнова // Двигателестроение. -2003. -№2. С. 14-16.

25. Азев, B.C. Автомобильные бензины. Свойства и применение / B.C. Азев, A.A. Гуреев. М.: Нефть и газ, 1996. - 444 с.

26. Лебедев, С.Р. Бензин становится крепче / С.Р. Лебедев // Автоперевозчик. 2003, №2. - С. 47—49.

27. Drawing L.H. and oth. Working Towad a Universal Methanol Fuel Formulation. XI International Symposium on Alcohol Fuels, South Africar April, 1996.

28. Chicos R., etal. Am. J. Hydrocarbon Processing. 7, pp 121-125.

29. Канило, П. M. Токсичность ГТД и перспективы применения водорода / П. М. Канило. Киев.: Наукова думка, 1982.

30. Перспективные автомобильные топлива. М.: Транспорт, 1982. - С.319

31. Сахаров, А.Г. Индикаторные показатели вихрекамерного двигателя СМД-14А, работающего с обогащением воздуха бензином / А.Г. Сахаров и др.// Доклады МИИСП. -t.V ,вып.2. 1970. - С. 115-123.

32. Сахаров, А.Г. Определение оптимальных расходов топлив и влияние их на рабочие показатели дизеля при обогащении воздуха на впуске / А.Г. Сахаров // Доклады МИИСП. т. VI, вып. 2. - 1970. - С. 20 - 27.

33. Багиров, Д.Д. Методы повышения эксплуатационных характеристик двигателей строительно-дорожных машин / Д.Д. Багиров. 1975.

34. Гладков, O.A. Высококонцентрированные топливные эмульсии эффективное средство улучшения экологических показателей лёгких быстроходных дизелей / O.A. Гладков, Е.Ю. Лерман // Двигателестроение. - 1986. -№10.

35. Лебедев, О.Н., Сомов В.А., Сисин В.Д. Водотопливные эмульсии в судовых дизелях / О.Н. Лебедев, В.А. Сомов, В.Д. Сисин. Л.: Судостроение, 1988.-108 с.

36. Власов, Н.С. Методика экономической оценки сельскохозяйственной техники / Н.С. Власов. М.: Колос, 1979.

37. Болотов, А.К. Опыт снижения токсичности отработавших газов дизелей за счёт подачи воды / А.К. Болотов, В.А. Лиханов, В.М. Попов, Сайкин A.M. // Двигателестроение. 1982. - №7. - С. 48 - 50.

38. Моргулис, Ю.Б. Двигатели внутреннего сгорания. Теория, конструкция и расчёт/ Ю.Б. Моргулис. М.: Машиностроение, 1972. - 336 с.

39. Николаенко, A.B. Теория конструкция и расчёт автотракторных двигателей/ A.B. Николаенко. М.: Колос, 1985. - 335 с.

40. Взоров, Б.А. Форсирование тракторных двигателей / Б.А. Взоров, М.М. Мордухович. -М.: Машиностроение, 1974. 153 с.

41. Щелыгин, H.A. Развитие систем охлаждения наддувочного воздуха дизелей с турбонаддувом / H.A. Щелыгин, A.B. и др. // Обзорн. информ. Серия «Тракторы, самоходные шасси и двигатели, агрегаты и узлы». Вып. 9. М.: ЦНИИТЭИтракторосельхозмаш, 1981.-41 с.

42. Гродзиевский, В.И. Результаты испытаний тракторного дизеля с турбонаддувом и охлаждением воздуха / В.И. Гродзиевский, А.И. Харченко // Тракторы и сельхозмашины. — 1965. №10. - С. 1 - 3.

43. Крохотин, Ю.М. Системы питания дизелей / Крохотин, Ю.М. Воронеж, 1999. .

44. Каминский, М.М. Исследование систем охлаждения наддувочного воздуха / М.М. Каминский // Тракторы и сельхозмашины. 1980. - № 1. - С. 5 - 7.

45. Гулин, С.Д. Использование комбинированной системы испарительного охлаждения наддувочного воздуха дизеля с турбонаддувом для повышения его мощности и экономичности / С.Д. Гулин, А. Н. Орлов, С. А. Синатов // Двигате-лестроение. -1983.-№10.-С38-41.

46. Васильев, Ю.Н. Новое в конструкции судовых дизелей / Ю.Н. Васильев. Л.: Судостроение, 1972.

47. Шишатский, В.Н. Испарительное охлаждение средство предотвращения перегрева судовых дизелей / В.Н. Шишатский // Судостроение. - 1966. -№10.-С. 37-39.

48. Капустин, В.В. Испарительное охлаждение наддувочного воздуха /

49. B.В. Капустин, A.M. Колодин, H.H. Сорокин // Речной транспорт. 1978. - №5.1. C. 35.

50. Колодин, A.M. Результаты испытаний дизеля 6ЧН 16/22, оборудованного системой испарительного охлаждения наддувочного воздуха / A.M. Колодин // Тр. НИИВТ.- вып. 158. 1981. - С. 76 - 87.

51. Кутёпов, A.M. Общая химическая технология/ Кутёпов A.M., Бонда-рёва Т.И., Беренгартен М.Г. -М.: Высшая школа, 1990г

52. Караваев, М.М. Технология синтетического метанола / М.М. Караваев и др.-М.: ХИМИЯ, 1984.

53. Брунштейн, Б.Л. Производство спиртов из нефтяного и газового сырья / Б.Л. Брунштейн, В.Л. Клименко, Е.Б. Цыркин. Л.: НЕДРА, 1964.

54. Хачиян, A.C. Применение спиртов в дизелях / A.C. Хачиян // Двигате-лестроение. -1984. №8.

55. Лиханов, В.А. Опыт подачи метанола на впуске дизеля / Лиханов В.А., Попов В.М. // Двигателестроение. -1986. -№4.

56. Обельницкий, A.M. Топливо и смазочные материалы / A.M. Обель-ницкий. -М.: Высшая школа, 1982.

57. Лиханов, В.А. Работа дизеля на метаноле с двойной системой топли-воподачи / В.А. Лиханов, В.М. Попов // Двигателестроение. 1986. - №8.

58. Луканин, В.Н. Двигатели внутреннего сгорания / В.Н. Луканин, К.А. Морозов, A.C. Хачиян. М.: Высшая школа, 2005.

59. Гольтраф, С.Н. Охлаждение наддувочного воздуха / С.Н. Гольтраф. -Л.: Судостроение, 1975.

60. Луканин, В.H. Теплотехника: Учебник для вузов / В.Н. Луканин, и др. -М.: Высшая школа, 2003. 671 с.

61. Теплотехнический справочник / под ред. В.Н. Юренева, П.Д. Лебедева. 2-е изд., перераб. - М.: Энергия, 1975. - 744с.

62. Зельдович, Я.Б. Окисление азота при горении / Я.Б. Зельдович, П.Я. Садовников, Д.А. Франк-Каменский. М.: Изд-во АН СССР, 1947. - 148 с.

63. Костин, А.К. Работа дизелей в условиях эксплуатации. Справочник / А.К. Костин, В.П. Пугачёв, Ю.Ю. Кочинев. Л.: Машиностроение, 1989. - 284 с.

64. Шишатский, В.Н. Испарительное охлаждение наддувочного воздуха дизелей / В.Н. Шишатский. М.: Высшая школа, 1968.

65. Орлин, A.C. Повышение мощности и улучшение экономичности ДВС /A.C. Орлин. -М.: Машгиз, 1959.

66. Дизели. Справочник. Л.: Машиностроение, 1977. 480 с.

67. Райков, И.Я. Испытания двигателей внутреннего сгорания / И.Я. Райков. М.: «Высшая школа», 1975. - 320 с.

68. Дьяченко, Н.Х. Теория двигателей внутреннего сгорания. Рабочие процессы / Дьяченко, Н.Х. Л.: Машиностроение, 1989. - 284 с.

69. Вибе, И.И. Новое о рабочем цикле двигателей / И.И. Вибе. М.: 1962.271 с.

70. Ленин, И.М. Автомобильные и тракторные двигатели / И.М. Ленин-М.: Высшая школа, 1969. 656 с.

71. Бальян, C.B. Техническая термодинамика и тепловые двигатели / C.B. Бальян. Л.: Машиностроение, 1973.

72. Балакин, В.И. Совершенствование рабочего процесса и наддув двухтактных дизелей / В.И. Балакин. Л.: Машиностроение, 1967.

73. Евенко, В.И. Влияние охлаждения наддувочного воздуха на мощность и экономичность тепловоза / В.И. Евенко, П.Н. Самосюк // Машиностроение. -1966.-№Ю. -С. 82-87.

74. Ханин, Н.С. Автомобильные двигатели с турбонаддувом / Н.С. Ханин и др. -М.: Машиностроение, 1991. 336 с.

75. ГОСТ 17.2.2.01-84 Дизели автомобильные. Дымность отработавших газов. Нормы и методы измерений.//М.: Издательство стандартов, 1984. 9 с.

76. ГОСТ 18509-88 Дизели тракторные и комбайновые. Методы стендовых испытаний.//М.: Издательство стандартов, 1988. 16 с.

77. Салова, Т.Ю. Основы экологии. Аудит и экспертиза техники и технологии / Т.Ю. Салова. СПб.: Лань, 2004. - 336 с.

78. Черников, В.А. Агроэкология / В.А. Черников. М.: Колос, 2000.536 с.

79. Конкин, Ю.А. Экономическое обоснование внедрения мероприятий научно-технического прогресса в АПК. 4е издание, перераб. и доп. / Ю.А. Конкин. -М.: Агропромиздат, 1990.

80. Конкин, Ю.А. Экономика ремонта сельскохозяйственной техники / Ю.А. Конкин. М.: Агропромиздат, 1990.

81. Шпилько, А.В. Экономическая эффективность механизации сельскохозяйственного производства / А.В. Шпилько. М.: РАСХН, 2001. - 346 с.

82. Власов, Н.С. Методика экономической оценки сельскохозяйственной техники / Н.С. Власов. М.: Колос, 1979.

83. Хитрюк, В.А. Практикум по автотракторным дизелям: Учебн. пособие / В.А. Хитрюк, Е.С. Цехов. Мн.: Ураджай, 1989. - 143 с.

84. Денисов, Б. Н. Проблемы экологизации автомобильного транспорта. Изд. 2-ое / Б. Н. Денисов, В. А. Рогалев. СПб.: МАНЭБ, 2005. - 312 с.

85. Альтернативные топлива на АЗС. // «АЗС: эксплуатация, экономика и учет». -№5. 2003. - С.84-88.

86. Клементьев, С.М. Автомобильные топлива XXI века: учебное пособие / С.М. Клементьев, В.М. Пономарев, В.М. Федоров. Екатеринбург.: Изд-во института экономики УрО РАН, 2008. - 139 с.

87. Дизель СМД-60 и его модификации. Техническое описание и инструкция по эксплуатации 60-0000l.OOTO. Харьков, 1987. 208 с.

88. Алешкин, В.Р. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов / В.Р. Алешкин, C.B. Мельников, П.М. Рощин. — Л.: Колос, 1980. 168 с.

89. Вотинцев, В.Г. Совершенствование процесса сгорания в быстроходных дизелях, форсированных наддувом / В.Г. Вотинцев, Н.В. Логинов, В.П. Петров // Материалы всесоюзной конференции. Л.: 1986. - С. 214-217.