автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Улучшение экологических показателей дизеля 4Ч11,0/12,5 при работе на этаноло-топливной эмульсии путем снижения содержания оксидов азота в отработавших газах

005013780

УЛУЧШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДИЗЕЛЯ 4411,0/12,5 ПРИ РАБОТЕ НА ЭТАНОЛО-ТОПЛИВНОЙ ЭМУЛЬСИИ ПУТЕМ СНИЖЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ОКСИДОВ АЗОТА В ОТРАБОТАВШИХ ГАЗАХ

Специальность 05.04.02 - тепловые двигатели

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 ид? 2072

Санкт-Петербург - 2012

005013780

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Вятская государственная сельскохозяйственная академия»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Лиханов Виталий Анатольевич Официальные оппоненты: ,

Ложкин Владимир Николаевич доктор технических наук, профессор, Санкт-Петербугский университет МЧС России, профессор кафедры пожарной, аварийно-спасательной техники и автомобильного хозяйства

Куколев Максим Игоревич доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, профессор кафедры «Двигатели внутреннего сгорания»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО Нижегородская

Защита диссертации состоится 30 марта 2012 г. в 14-30 на заседании диссертационного совета Д 220.060.05 при Санкт-Петербургском государственном аграрном университете по адресу: 196601, Санкт-Петербург-Пушкин, Академический проспект, д. 23, ауд. 2.529, факс 465-05-05, uchsekr@spbgau.ru. Баїоуа tus@mail.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного аграрного университета.

Автореферат разослан и помещен на сайте ВАК Минобрнауки РФ, http://www.spbgau.ru. «28 »февраля 2012 г.

Ученый секретарь

государственная сельскохозяйственная академия

диссертационного совета

Салова Тамара Юрьевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Поршневые ДВС на сегодняшний день являются весьма экономичными тепловыми двигателями, что способствует их широкому распространению во всех сферах хозяйственной деятельности человека. Существенным недостатком поршневых двигателях можно считать то, что подавляющее большинство из них работают на нефтяных и газовых топливах, в силу чего перспективы их развития и применения напрямую связаны с изменениями, происходящими в нефтегазовом комплексе. Последние десятилетия показали, что с увеличением потребности в нефтяных и газовых топливах их стоимость хоть и колеблется в значительных пределах, но в среднем неуклонно возрастает. Анализ запасов мировых запасов сырья для получения различных топлив позволяет сделать вывод, что наиболее перспективны такие топлива, которые полученные из возобновимых источников, в частности спиртовые топлива. Среди них важное место занимает этиловый спирт (этанол) и эмульсии на его основе, для производства которого в промышленных масштабах имеются сырьевые ресурсы, в первую очередь биологического происхождения (отходы сельскохозяйственного производства, а также пищевой и деревообрабатывающей промышленности), которые относятся к возобновимым источникам сырья.

В соответствии с Концепцией развития отечественного автомобилестроения на период до 2015 г., одобренной Правительством РФ, приоритетными являются исследования, направленные на применение альтернативных видов топлив (этанол и эмульсии на его основе), в т.ч. в серийно выпускаемых ДВС. При этом использование альтернативных топлив требует серьезных исследований, сконцентрированных на изучении особенностей протекания рабочего процесса. Особое внимание необходимо уделять переводу на альтернативные топлива дизелей, которые широко распространены.

Наиболее эффективным способом применения этанола и эмульсий на его основе в настоящее время является подача его непосредственно в цилиндр дизеля через штатную топливоподающую систему. Данный способ позволяет экономить дизельное топливо (ДТ), не требуя изменений и дополнений в конструкцию дизеля и может быть реализован на двигателях, уже находящихся в эксплуатации.

В исследованиях отечественных ученых недостаточно данных по снижению содержания оксидов азота на современных дизелях, работающих на этаноло-топливных эмульсиях (ЭТЭ). Нужно отметить, что использование альтернативных видов топлива способствует не только экономии нефтяного топлива, но и позволяет улучшить эффективные и экологические показатели. Приоритетность ЭТЭ, как наиболее перспективного экологически более чистого альтернативного топлива, очевидна для многих стран мира.

Поэтому снижение содержания оксидов азота в отработавших газах дизелей при работе на ЭТЭ является актуальной научной задачей.

Связь с планами научных исследований. Диссертационная работа выполнена в соответствии с темой № 24 плана НИР ФГБОУ ВПО Вятская ГСХА (г. Киров) на 2006...2010 гг. (номер государственной регистрации 01.2.006-09891).

Целью исследований является снижение содержания оксидов азота в ОГ дизеля 44 11,0/12,5 с камерой сгорания в поршне типа ЦНИДИ при работе на ЭТЭ, изучение ее влияния на процессы образования и разложения оксидов азота, токсические, мощностные и экономические показатели, экономию нефтяного моторного топлива. Практическое применение научной задачи состоит в улучшении экологических и эффективных показателей

у лгрл _ _________ _____ ____. < к*

дизелей, райотающил на ^ и трактоуив, шлииусив и грузовых авшмиоилеи, путем снижения содержания токсичных компонентов за счет снижения содержания оксидов азота в ОГ.

Объект исследований: тракторный дизель 44 11,0/12,5 (Д-243) жидкостного охлаждения, устанавливаемый на сельскохозяйственных тракторах МТЗ-80/82 (данный дизель без наддува, с камерой сгорания в поршне типа ЦНИДИ с непосредственным впрыскива-

нием топлива), работающие на альтернативном топливе - ЭТЭ.

Предмет исследований: экологические, мощностные и экономические показател дизеля 44 11,0/12,5 (Д-243) при работе на ЭТЭ, процессы образования и разложения ока дов азота в цилиндре дизеля.

Научную новизну работы представляют:

- результаты лабораторно-стендовых и теоретических исследований влияния прим нения ЭТЭ на процессы образования и разложения оксидов азота, токсические, мощно ные и экономические показатели дизеля 44 11,0/12,5 с камерой сгорания в поршне ти ЦНИДИ;

- химизм процесса образования оксидов азота в цилиндре дизеля 44 11,0/12,5 п работе на ЭТЭ;

- уточненная методика расчета выбросов оксидов азота с отработавшими газами д зелей семейства 44 11,0/12,5 при работе на ЭТЭ;

- уточненная методика расчета удельных выбросов и концентраций оксидов азота цилиндре дизелей семейства 44 11,0/12,5 при работе на ДТ и ЭТЭ;

- уточненная методика определения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу дизеле 44 11,0/12,5 при работе на ЭТЭ;

- результаты расчета показателей объемного содержания и массовой концентрац оксидов азота в цилиндре и ОГ дизеля 44 11,0/12,5 при работе на ЭТЭ;

- рекомендации по снижению содержания оксидов азота в ОГ дизеля 44 11,0/12 при работе на ЭТЭ.

Практическая ценность работы и реализация результатов исследований. Мат

риалы диссертации используются в учебном процессе Вятской и Нижегородской госуда ственных сельскохозяйственных академий, 4ебоксарском институте (филиале) Моско ского государственного открытого университета при чтении лекций, выполнении курс вых работ и дипломном проектировании для студентов, обучающихся по специальност 110301 и 190601 и 190603.

Экономическая эффективность. Экономия денежных средств от перевода дизе 44 11,0/12,5 работающего на альтернативном моторном топливе - ЭТЭ, составля 37088,45 руб. на 1 двигатель при средней наработке 500 мото-часов в год (в ценах на ма 2011г.).

Апробация работы. Основные результаты и материалы диссертационной раб> докладывались и обсуждались на 17 конференциях: на 1-й, П-й, Ш-й, ГУ-й и У-й Междун родных научно-практических конференциях «Наука-Технология-Ресурсосбережение 2009...2012 гг. (ФГБОУ ВПО Вятская ГСХА, г. Киров); 9-й межвузовской научн практической конференции молодых ученых, аспирантов и соискателей «Науке нового в ка-знания молодых», 2009 г. (ФГБОУ ВПО Вятская ГСХА, г. Киров); Всероссийской на но-пракгической конференции молодых ученых, аспирантов и соискателей «Науке ново века-знания молодых», посвященной 80-лепш Вятской ГСХА, 2010 г. (ФГБОУ ВПО В екая ГСХА, г. Киров); Международной научно-практической конференции молодых уч ных, аспирантов и соискателей «Науке нового века-знания молодых», 2011 г. (ФГБО ВПО Вятская ГСХА, г. Киров); Х1-Й, ХИ-й, ХШ-й и Х1У-Й Международных научн практических конференциях «Актуальные вопросы совершенствования технологии прои водства и переработки продукции сельского хозяйства: Мосоловские чтения», 2009...20 гг. (ФГБОУ ВПО «Марийский ГУ», г. Йошкар-Ола); Международной молодежной кау ной конференции «XVII Туполевские чтения», 2009 г. (Казанский авиационный инстш КГТУ им. А.Н. Туполева, г. Казань); Международной научно-пракгаческой конференц МГТУ им. Н.Э. Баумана «Двигатель-2010», посвященной 180-летию МГТУ им. Н.Э. Ба мана, 2010 г. (МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва); Всероссийской конференции с элеме

тами научной школы для молодежи «Проведение научных исследований под руководством приглашенных исследователей в 2010 году». (ВГГУ, г. Киров); Международной научно-практической конференции «Энергетика предприятий АПК и сельских территорий: состояние, проблемы и пути решения», 2011...2012 гг. (СПбГАУ, г. Санкт-Петербург - Пушкин).^

Публикации результатов исследований. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 32 печатных работах, включая монографию объемом 10,5 п.л., 2 статьи в журналах, входящих в «Перечень ... ВАК Минобразования и науки РФ» и статьи общим объемом 10,75 п.л., в т.ч. в сборниках трудов международных и всероссийских конференций опубликовано 25 статей. Без соавторов опубликовано 9 статей общим объемом 2,15 п.л.

На защиту выносятся следующие основные результаты исследований:

- результаты лабораторно-стендовых и теоретических исследований влияния применения ЭТЭ на процессы образования и разложения оксидов азота, токсические, мощност-ные и экономические показатели дизеля 44 11,0/12,5 с камерой сгорания в поршне типа ЦНИДИ;

- химизм процесса образования оксидов азота в цилиндре дизеля 44 11,0/12,5 при работе на ЭТЭ;

- уточненная методика расчета выбросов оксидов азота с отработавшими газами дизелей семейства 44 11,0/12,5 при работе на ЭТЭ;

- уточненная методика расчета удельных выбросов и концентраций оксидов азота в цилиндре дизелей семейства 44 11,0/12,5 при работе на ДТ и ЭТЭ;

- уточненная методика определения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу в дизеле 44 11,0/12,5 при работе на ЭТЭ;

- результаты расчета показателей объемного содержания и массовой концентрации оксидов азота в цилиндре и ОГ дизеля 44 11,0/12,5 при работе на ЭТЭ;

- рекомендации по снижению содержания оксидов азота в ОГ дизеля 44 11,0/12,5 при работе на ЭТЭ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 209 страницах, в том числе 135 стр. текста, содержит 41 рисунок и 16 таблиц. Список литературы изложен на 22 стр., включает 210 наименований, в том числе 21 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, изложена научная новизна и практическая ценность работы, основные положения и результаты исследований выносимые на защиту.

В первой главе обобщен и сделан анализ работ, посвященных исследованию образования и разложения оксидов азота. Большой вклад результатами теоретической работы и экспериментальных исследований в вопросах образования и разложения оксидов азота в результате высокотемпературного горения внесен такими учеными как Абрамов В.Н., Аксенов В.Л., Батурин С.А., Васильев В.П., Варшавский И.Л., Гетманец Г.В., Гуревич H.A., Долганов К.Е., Жегалин О.И., Заиграев Л.С., Звонов В.А., Зельдович Я.Б., Истомин C.B., Капустин A.A., Кульчицкий А.Р., Кутенев В.Ф., Лавров Н.В., Лиханов В.А., Лоскутов A.C., Малов Р.В., Марков В.А., Николаенко А. В., Померанцев В.В., Райзер Ю.П., Разлейцев Н.Ф., Садовников П.А., Сайкин A.M., Салова Т.Ю., Сигал И.Я., Смайлис В.И., Фесенко П.П., Франк-Каманецкий Д.А., Френкель А.И., Фурса В.В., Эфрос В.В. и другие.

Анализ результатов научных исследований показывает, что отечественными и зарубежными исследователями разработаны предпосылки, проведен ряд экспериментальных работ по изучению процессов образования и разложения оксидов азота в цилиндре дизеля.

К сожалению, в отечественной литературе полностью отсутствуют численные данные о влиянии применения этанола и эмульсий на его основе на токсичность ОГ.

Необходимо отметить что исследования, проводимые по использованию этанола и эмульсий на его основе в качестве моторного топлива, чаще направлены на изучение эффективных показателей без изучения комплексного влияния на экологические показатели и показатели процесса сгорания в цилиндре дизеля. При применении ЭТЭ предполагается улучшение не только экологических, но и эффективных показателей, на основании чего можно предположить, что при использовании альтернативного вида топлива - ЭТЭ можно не только сэкономить топливо нефтяного происхождения, но и улучшить экологические показатели за счет снижения содержания оксидов азота в ОГ.

В связи с выше изложенным можно предположить, что улучшение экологических показателей дизеля 44 11,0/12,5 при работе на ЭТЭ путем снижения содержания оксидов азота является актуальной научной задачей, имеющей важное значение для улучшения экологической ситуации в стране. На основании поставленной цели сформулированы задачи исследований:

- провести лабораторно-стендовые и теоретические исследования влияния применения ЭТЭ на процессы образования и разложения оксидов азота, токсические, мощностные и экономические показатели дизеля 44 11,0/12,5 с камерой сгорания в поршне типа ЦНИ-

ДИ;

- разработать химизм процесса образования оксидов азота в цилиндре дизеля 44 11,0/12,5 при работе на ЭТЭ;

- разработать уточненную методику расчета выбросов оксидов азота с отработавшими газами дизелей семейства 44 11,0/12,5 при работе на ЭТЭ;

- разработать уточненную методику расчета удельных выбросов и концентраций оксидов азота в цилиндре дизелей семейства 44 11,0/12,5 при работе на ДТи ЭТЭ;

- разработать уточненную методику определения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу в дизеле 44 11,0/12,5 при работе на ЭТЭ;

- произвести расчет показателей объемного содержания и массовой концентрации оксидов азота в цилиндре и ОГ дизеля 44 11,0/12,5 при работе на ЭТЭ;

- разработать рекомендации по снижению содержания оксидов азота в ОГ дизеля 44 11,0/12,5 при работе на ЭТЭ.

Во второй главе предложены теоретические предпосылки по анализу процессов образования и разложения оксидов азота в камере сгорания дизеля 44 11,0/12,5 при работе на ЭТЭ.

При выгорании воспламененной ЭТЭ в цилиндре дизеля создаются высокие локальные концентрации активных центров цепных реакций - атомов и свободных радикалов, возникающих в результате деструктивных превращений, окисления и распада углеводородов этанола в окрестностях испаряющихся и горящих капель ДТ. В этих условиях образование оксидов азота отличается двумя главными особенностями: во-первых, решающую роль в этом процессе играет не только тепловое, но и цепное ускорение реакций за счет высоких локальных концентраций активных частиц; во-вторых, процессы их образования тесно связаны конкуренцией в потреблении активных частиц и кислорода. Образование Ж)х происходит через сложные превращения продуктов реакций этаноло-топливных радикалов с азотом воздушной среды в предпламенной и послепламенной зонах. Скорость этих процессов зависит от концентрации азота в объеме цилиндра дизеля, скорости сгорания, доли выгоревшей ЭТЭ, а также скорости конкурирующих реакций продуктов неполного сгорания, в том числе СО и сажевых частиц.

Используя результаты моделирования изотермических кинетических систем для расчета кинетики образования оксидов азота при горении ЭТЭ в условиях сгорания в дизелях, кроме того, суммируя известные данные протекания элементарных реакций при сгорании ЭТЭ и выделяя из них наиболее весомые, исключая процессы с большими энергиями активации, механизм процесса образования оксидов азота в цилиндре дизеля при работе на ЭТЭ можно представить в ввде определенной последовательности этапов и ветвей образования промежуточных и конечных элементов, как это видно на рисунке 1.

НО,

XVI

.0'

N02 »1

МЭ^Ч V*

NO*§*OH^?NO2

ÍH

сн2он ф сгн5он

WHN0*§CH0 <4 У/,, з

Что == щ

fl

ki

Л/0

HCNMCNS"

NО

•но

'2-3/V0

-НС; |"V

-со*

no2=#no

N02&HN0

X,J ** ^ CN

•со v,v

II

..„♦он «о. yv JIxvb .цои\-nO-,ои

гЛ К« II,"

// С2н6

tu.; J ЧТ/

сн,снос|р

•Н.ОН.СН;

" -со U

y " .«о и II

+UH

*он,н.

CN

-со

А/0

♦íi'rf 4 *V . f/iQ

*о,н

Xlil МЛ

H0.NO

¡ra, "ítfl'O.

'o>a/O2 •

Рис. 1 - Химизм процесса образования оксидов азота в цилиндре дизеля при работе на ЭТЭ: I -образование N0 по бимолекулярной реакции; II - окисление N0 до N02 в предпламенной зоне; III - образование и разложение гемиоксида азота N20; IV - образование N0 за счет расхода N02; V, VI, VII - термический пиролиз метанола; VIII, IX, X, XI, XII - взаимодействие молекулярного азота с углеводородными фрагментами; XIII - превращение HCN в CN; XIV, XV - образование быстрого NO; XVI - образование термического N0 по механизму Я.Б. Зельдовича; XVII - образование термического N0 через радикалы ОН; XVIII - окисление N0 до N02 в запламенной зоне

Всего же в продуктах сгорания этаноловоздушной смеси содержатся различные оксиды азота, которые по термодинамической устойчивости можно расположить в ряд по убыванию: NO, N20, Ш2, N203, N204, N203.

Характерной особенностью всего процесса образования N0X в цилиндре дизеля при работе на ЭТЭ является преобладание образующегося оксида азота по механизму Я.Б. Зельдовича и через радикалы ОН-, количество которых намного порядков выше количеств всех остальных, образующихся в процессе горения этаноловоздушной смеси.

Рисунок 2 - Результаты теоретических расчетов по изменению объемного содержания ГЦОхтеор и массовой концентрации Сыохтеор оксидов азота в цилиндре дизеля 44 11,0/12,5 в зависимости от изменения угла п.к.в. двигателя при различных установочных УОВТ до в.м.т. при п=2200 мин"1, Ре=0,64 МПа: а-ДТ; б-ЭТЭ

Следовательно, разработка расчетной модели для этого механизма позволит без трудоемких и дорогостоящих экспериментальных работ на натурных объектах исследовать влияние различных параметров, таких как применение ЭТЭ, на образование и выход основного токсичного компонента ОГ дизелей - оксидов азота.

Результаты теоретических расчетов по изменению объемного содержания гыохтеор и массовой концентрации СкОхтеор оксидов азота в цилиндре дизеля

44 11,0/12,5 при работе на ДТ в зависимости от угла п.к.в. при различных установочных УОВТ для номинальной частоты вращения п = 2200 мин ре = 0,64 МПа представлены на рис. 2.

Для сравнимости показателей содержания оксидов азота в цилиндре дизеля при переходе с ДТ на ЭТЭ рассмотрим значения объемного содержания rNOXTeop и массовой концентрации Смохиор оксидов азота в цилиндре для постоянного объема цилиндра, т.е. для одинакового положения коленчатого вала при установочном УОВТ ©„„, = 23° до в.м.т. на номинальной частоте вращения коленчатого вала п = 2200 мин При положении коленчатого вала, соответствующего фмох мах теор= 19,0° п.к.в. после в.м.т. при работе на ДТ tnoxмахтеор составляет 1184 ррт, Смохмахтеор составляет 1,705 г/м3. При переходе на ЭТЭ гшхкор составляет 907 ррт, Смохтеор составляет 1,306 г/м3. Разница между значениями объ-

rNOt.op,.PPm 1200 ,23 ;

1000 |А ;..... 23- :

800 .....-•■■ - - "Г

600 i i ;

! ;

400 29 i ¡29

23- ,. ..

200 W го1 .......;.....[■■-

■19 0 10 20 30 40 90 СО Г0 (0 99 109 110 ф. гряд. п.к.|.

а

б

ємного содержания Гк0хтк,р и массовой концентрации Смохиор оксидов азота в цилиндре дизеля при работе на ЭТЭ при <р = 19,0° п.к.в. после в.м.т. составляет 23,4 %.

В третьей главе рассмотрены особенности использования методик, которые применялись в экспериментальных исследованиях, а также созданные экспериментальные установки, используемые приборы и оборудование.

При монтаже оборудования и приборов, стендовых испытаниях дизеля, газовом анализе ОГ учитывались требования ГОСТа 14846-81, ГОСТа 17.2.1.02-76, ГОСТа 17.2.2.0184 ГОСТа 17.2.2.02-98, ГОСТа 17.2.2.05-97, ГОСТа Р 17.2.2.06-99, ГОСТа Р 17.2.2.072000, ГОСТа 27577-2000, ГОСТа 18509-88, ГОСТа Р ИСО 3046-1-99, ГОСТа Р ИСО 81787-99. Экспериментальная установка включала в себя электротормозной стенд 8АК-Ы670 производства Германии с балансирной маятниковой машиной, дизель 44 11,0/12,5, измерительную аппаратуру и прочее вспомогательное оборудование. Испытания проводились на всех нагрузочных и скоростных режимах работы дизеля с использованием летнего дизельного топлива и моторного масла М-Ю-Д(м).

Обработка индикаторных диаграмм рабочего процесса дизеля на ДТ и ЭТЭ при работе на различных режимах осуществлялась с помощью ПЭВМ по программе ЦНИДИ-ЦНИИМ. Отбор и анализ проб ОГ производился с помощью автоматической системы газового анализа АСГА-Т с соблюдением требований инструкции по эксплуатации. Для проведения стендовых испытаний дизеля при работе на ЭТЭ использовалось штатное оборудования двигателя и топливоподающая аппаратура.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований по улучшению экологических показателей дизеля 44 11,0/12,5 при работе на ЭТЭ путем снижения содержания оксидов азота. Исследования проводились с целью определения и оптимизации основных параметров работы дизеля при работе на ДТ и ЭТЭ. Проведенные испытания показали, что дизель устойчиво работает на ЭТЭ при соотношении на номинальном режиме: этанол - 25 %; вода - 7 %; ДТ - 67,5 %; С-5А - 0,5 %.

Рисунок 3 - Влияния применения ЭТЭ на объемное содержание гцс* и массовую концентрацию Снох оксидов азота и показатели процесса сгорания в цилиндре дизеля 44 11,0/12,5 в зависимости от изменения установочного УОВТ: при п = 2200 мин'1, рс = 0,64 МПа: --дизельный процесс,----ЭТЭ

Графики влияния применения ЭТЭ на объемное содержание гдах и массовую концентрацию Скох оксидов азота в отработавших газах и показатели процесса сгорания в цилиндре дизеля 44 11,0/12,5 в зависимости от изменения установочного УОВТ для номинальной частоты вращения п = 2200 мин "1. р. = 0,64 МПа представлены на рис. 3. Как видно из графиков с увеличением установочного

______УОВТ при работе дизеля на ДТ и ЭТЭ

20 23 26 23 о.»г, град. возраегают максимальные давление

шов и температура в цилиндре двигателя, а также объемное содержание гЫОх и массовая

концентрация СМОх оксидов азота. При всех значениях установочных УОВТ при переходе на ЭТЭ происходит снижение расчетных значений объемного содержания гКОх и массовой концентрации Сшх оксидов азота, увеличение максимальных давления газов и температуры в цилиндре двигателя.

На рис. 4 представлены графики влияния применения ЭТЭ на показатели процесса сгорания, объемное содержание и массовую концентрацию оксидов азота в цилиндре дизеля 44 11,0/12,5 на оптимальном установочном УОВТ в зависимости от угла поворота коленчатого вала.

Гко ,ррт

Рисунок 4 - Влияния применения ЭТЭ на показатели процесса сгорания, объемное содержание гко* и массовую концентрацию Скох оксидов азота в цилиндре дизеля 44 11,0/12,5 на оптимальном установочном УОВТ в зависимости от угла поворота коленчатого вала: --дизельный процесс,----ЭТЭ

Как видно из графиков, максимальное значение объемного содержания оксидов азота гмохмирас, в цилиндре при работе дизеля на ДТ составляет 1250 ррт, максимальная массовая концентрация оксидов азота Скохмах расч СОСТавЛЯвТ 1,80 г/м3, при фШх мах расч = 18,2° ПХВ. ПОСЛе

в.м.т. Объемное содержание оксидов азота ГкоХвыхрасч в цилиндре в момент открытия выпускного клапана

ФЯО:

їх вых расч

= 124° п.к.в. после в.м.т.

120 0 дай пкЛ

составляет 965 ррт, при массовой

концентрации СКОх вых расч 1.39 г/м . При работе дизеля на ЭТЭ максимальное значение объемного содержания оксидов азота Гж>х мах расч в цилиндре составляет 950 ррт, максимальное значение массовой концентрации ОКСИДОВ азота С№х мах расч составляет 1,29 г/м3, при <|>Ж)х мах расч = 16,8° п.к.в. после в.м.т. Объемное содержание оксидов азота ідаХЕНХрасч в цилиндре в момент открытия выпускного клапана (рдах вых расч = 124,0" п.к.в. после в.м.т. составляет 730 ррт, при массовой концентрации оксидов азота СМОх„ыхркч - 0,99 г/м3. Разница между максимальными значениями объемного содержания гцохмахрасч и массовой концентрации Сцох мах расч оксидов азота в цилиндре составляет 300 ррт или 0,51 г/м3. Таким образом, при работе дизеля на ЭТЭ происходит снижение максимальных значений объемного содержания ідах мах расч и массовой концентрации Сшх мах расч оксидов азота на 24,0 %.

Влияние применения ЭТЭ на объемное содержание и массовую концентрацию оксидов азота в отработавших газах, показатели процесса сгорания в цилиндре дизеля 44 11,0/12,5 на различных нагрузочных режимах для номинальной частоты крашения п = 2200 мин , . ре = 0,64 МПа представлены на рис. 5.

Как видно из графиков на рис. 5 максимальная температура процесса Ттах с возрастанием нагрузки увеличивается как при работе дизеля на ДТ, так и при работе дизеля на ЭТЭ. При работе дизеля на ЭТЭ температура увеличивается от 2233 К, при ре = 0,38 МПа, до 2530 К, при ре = 0,69 МПа (на 13,3 %). При работе дизеля на ДТ температура увеличивается

и

от 1485 К при Ре = 0,13 МПа до 2180 К при ре=0,69 МПа (на 46,8 %). Таким образом, значение ма—ьной осредненной температуры при работе дизеля на ЭТЭ Увеличивается на 496 К или на 30 %. Значение максимального давления сгорания рг при работедизеля на ЭТЭ возрастает с 6,30 МПа при рс - 0,38 МПа до 9,10 -С»

или на 44,4 %), при работе дизеля на ДТ рг возрастает с 7,20 МПа при р. - 0,13 МПа до М8 МПа при Ре = 0,69 МПа (на 1,28 МПа или на 17,8 %). Объемное содержание = и массовая концентрация С^ оксидов азота N0 при р

нием нагоузки увеличиваются, соответственно, с 470 ррт и 0,68 г/м на минималыюи на ™Тке при Г4! 3 МПа до 780 ррт и 1,12 г/м3 при ре = 0,69 МПа. При работе дизеля на ДТ с возрастанием нагрузки объемное содержание гКо>ии и массовая концентрация СІ оксидов азота увеличивается, соответственно, с 650 ррт и 0,94 г/м3 на минималь-ноТна^узк" при рс = 0ДЗ МПА до 1041 ррт и 1,50 г/м3 при р, - 0,69 МП, Таким о Р*>ом снижение объемного содержания т№храИ и массовой концентрации ^р,,»™»^ при работе дизеля на ЭТЭ при частоте вращения коленчатого вала п-2200 мин и

рс = 0,64 МПа составляет 256 ррт или 26 %.

Рисунок 5 - Влияние применения ЭТЭ на объемное содержание г^ох и массовую концентрацию Сщх оксидов азота в ОГ и показатели процесса сгорания в цилиндре дизеля 44 11,0/12,5 на различных нагрузочных режимах при п = 2200 мин , р„ = 0,64 МПа:

--дизельный процесс,----ЭТЭ

На рис. 6 представлены графики объемного содержания гКох. массовой концентрации Сдах оксидов азота в ОГ, максимальной температуры Ттах и давления газов рг в цилиндре дизеля 44 11,0/12,5 при работе дизеля на ДТ и ЭТЭ на оптимальном установочном УОВТ в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала.

Как видно из графиков, с увеличением частоты вращения коленчатого вала двигателя происходит сни-1) 1 02 01 04 0,5 0,6 ре,МПа жение объемного содержания гц0х и

массовой концентрации СШх оксидов азота. Так, при работе дизеля на ЭТЭ, при увеличе-__________________ „о™ „„иг-атриа г. п = 1200 мин до п - 2400 мин Про-

нин частоты вращения коленчатого вала двигателя с п ......... ~ 870 _

исходит уменьшение объемного содержания оксидов азота Гко^с с 1295 ррт д^/идет има°=й концентрации оксидов азота с 1,86 г/м3 до 1,25 г/м3. При работу дизеля

на ЭТЭ объемное содержание гКОхопыт и массовая концентрация Сщхопш оксидов азота ни же во всем диапазоне изменения частот вращения коленчатого вала Д™^

Из кривых, представленных на рис. 6 видно, что при работе дизеля 44 11,0/12,5 на ЭТЭ показатели процесса сгорания изменяются во всём диапазоне изменения частоты вращдам каденчатого вал, При работе дизеля на ЭТЭ значение с ^ к

при п = 1200 мин-1 до 2543 К при п = 2400 мин"1. Рост значения температуры составляет 238 К, или 10,3%. При увеличении частоты вращения уменьшается значение Ргтах от

8,60 МПа при п = 1200 мин' ет 0,24 МПа.

до

8,36 МПа при п — 2400 мин"1. Уменьшение р2тах составля-

1400 1600 1800 2000 2200 2400 П, МИН-1

Рисунок 6 - Влияние применения ЭТЭ на объемное содержание гиох и массовую концентрацию Смох оксидов азота в ОГ и показатели процесса сгорания в циливдре дизеля 4411,0/12,5 в зависимости от изменения частоты вращения: --дизельный процесс,----ЭТЭ

Анализируя изменение значений показателей процесса сгорания в цилиндре дизеля 4411,0/12,5 при оптимальном установочном УОВТ в зависимости от изменения частоты вращения при переходе с работы дизеля с ДТ на ЭТЭ, можно отметить следующее. Максимальная осреднённая температура процесса при работе дизеля на ЭТЭ на малой частоте вращения п= 1200 мин"1 составляет 2549 К и повышается по сравнению с максимальной температурой при работе дизеля на ДТ, которая составляет 2175 К. Повышение составляет 374 К, или 17,2 %. При увеличении частоты вращения до п = 2400 мин-1 значение Ттах при работе дизеля на ЭТЭ возрастает и составляет 2496 К по сравнению с Ттах при работе дизеля на ДТ, которая равна 2103 К. Увеличение составляет 393 К или 18,7 %. Максимальное давление сгорания при работе дизеля на ЭТЭ больше, чем при работе дизеля на ДТ. Так, при п= 1200мин" значение р2тах повышается с 8,60МПа при работе дизеля на ДТ до 9,29 МПа при работе дизеля на ЭТЭ. Повышение составляет 0,69 МПа или 8 %. С увеличением частоты вращения происходит уменьшение значения ргшах. Так, при п = 2400 мин"1 при работе дизеля на ДТ р2тах = 8,36 МПа, а при работе дизеля на ЭТЭ рг тах = 8,88 МПа. Увеличение составляет 0,52 МПа, или 6,2 %.

В пятой главе рассчитана эффективность использования этаноло-топливной эмульсии в качестве моторного топлива в тракторном дизеле 44 11,0/12,5. При переходе на ЭТЭ годовой экономический эффект от экономии дизельного топлива составляет 37088,45 руб. на 1 мобильное энергетическое средство при средней наработке 500 мото-часов в год. (в ценах на март 2011 г.).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основании проведенных лабораторно-стендовых и теоретических исследований влияния применения альтернативного топлива - этаноло-топливной эмульсии - на процессы образования и разложения оксидов азота, токсические, мощностные и экономические показатели дизеля 44 11,0/12,5 с камерой сгорания в поршне типа ЦНИДИ с непосредственным впрыскиванием топлива установлена возможность улучшения его экологических показателей, в частности, снижение содержания оксидов азота в ОГ, экономии ДТ,

повышения зффеэт!'!>.нт

2. Экспериментальными исследованиями для снижения содержания оксидов азота в ОГ, объемного содержания гШх и массовой концентрации СМОх оксидов азота в цилиндре дизеля 44 11,0/12,5 при работе на ЭТЭ определены значения оптимальных установочных углов опережения впрыскивания топлив: для ДТ - 23° п.к.в., для ЭТЭ - 23° п.к.в. При этом установлена возможность сохранения мощностных показателей на уровне серийного дизе-

ля на номинальном режиме при подаче альтернативного топлива - ЭТЭ, в состав которой входят: ДТ в количестве 67,5 %, этанол - 25 %, присадка сукцинимидная С-5А в количестве 0,5 %, вода - 7 %. Этим достигается экономия ДТ до 32,5 % путем замены его эмульсией.

3. Разработанный химизм процесса образования оксидов азота в цилиндре дизеля 44 11,0/12,5 при работе на ЭТЭ и разработанная на его основании методика уточненного расчета удельных выбросов и концентраций оксидов азота в цилиндре дизелей семейства 44 11,0/12,5 при работе на ДТ и ЭТЭ, показали высокую сходимость полученных теоретических расчетов объемного содержания rNox и массовой концентрации CN0* оксидов азота с данными экспериментальных исследований и последующими на их основе Расчетами. Теоретическими исследованиями рабочего процесса в цилиндре дизеля 44 11,0/12,5 при работе на ЭТЭ определены значения rNOxTCop и СКохте0Р в зависимости от угла п.к.в. Для п -2200 мин л и ре = 0,64 МПа и оптимальных установочных УОВТ максимальные значения Cnox мах теор снижаются с 1,709 г/м3 при работе на ДТ до 1,297 г/м3 при работе на ЭТЭ, а максимальные значения гШхмахтеор снижаются с 1187 ррш при работе на ДТ до 901 ррш при работе на ЭТЭ, а также выходные значения CNOxBbIX«oP снижаются с 1,318 г/м при работе на ДТ до 1,001 г/м3 при работе на ЭТЭ (на 23 %), а выходные значения гдахшхтеор снижаются с 915 ррш при работе на ДТ до 695 ррш при работе на ЭТЭ (на 23 %). Для п -1700 мин и ре = 0,69 МПа максимальные значения Сцохыахтеор снижаются с 1,750 г/м при работе на ДТ до 1,054 г/м3 при работе на ЭТЭ (на 39,7 %), а максимальные значения tnox мах расч снижаются с 1215 ррш при работе на ДТ до 732 ррш при работе на ЭТЭ (на 39,7 %), в то время как выходные значения Сшх.ыхт«* снижаются с 1,341 г/м при работе на Д1 до 0,809 г/м3 при работе на ЭТЭ (на 39,6 %), а выходные значения rNOxBbKreop снижаются с 931 ррш при работе на ДТ до 562 ррш при работе на ЭТЭ (на 39,6 %).

4. Экспериментальными исследованиями и расчетным путем определены значения содержания оксидов азота в ОГ, объемного содержания rNOx и массовой концентрации Сш* оксидов азота в ОГ дизеля 44 11,0/12,5 при работе на ДТ и на ЭТЭ для п = 2200 мин и для п = 1700 мин -1 в зависимости от установочного УОВТ. Установлено, что на оптимальных установочных УОВТ при п = 2200 мин и работе дизеля на ЭТЭ содержание оксидов азота в ОГ составляет 660 ppm, а расчетные значений объемного содержания rNOx - 720 ррш и массовой концентрации CN0* - 1,28 г/м3. При п = 1700 мин " и работе дизеля на ЭТЭ содержание оксидов азота в ОГ составляет 730 ppm, а расчетные значений объемного содержания гмох - 805 ppm и массовой концентрации CNOx - 1,12 г/м .

5. Экспериментальными исследованиями и расчетным путем определены значения объемного содержания rNOx и массовой концентрации СШх оксидов азота в цилиндре дизеля 44 11,0/12,5 в зависимости от изменения угла п.к.в. при работе на ДТ и ЭТЭ. Установлено, что для оптимальных установочных УОВТ при п = 2200 мин" и рс = 0,64 МШмак-симальные значения CNOxMaxpac, снижаются с 1,80 г/м3 при работе на ДТ до 1,28 г/м при работе на ЭТЭ (на 24 %), а максимальные значения гКОхмахРас, снижаются с 1250 ppm при работе на ДТ до 950 ppm при работе на ЭТЭ (на 24 %), также выходные значения Сшхвь™ снижаются с 1,39 г/м3 при работе на ДТ до 0,99 г/м3 при работе на ЭТЭ (на 24,4%), а выходные значения гн0,ВыхР!1сч снижаются с 965 ppm при работе на ДТ до 730 ppm при работе на ЭТЭ (на 24,4 %).Для п = 1700 мин"1 и ре - 0,69 МПа максимальные значения Скох^рас снижаются с 1,82 г/м3 при работе на ДТ до 1,13 г/м при работе на ЭТЭ (на 39,8 %), а максимальные значения Ткохмахрасч снижаются с 1280 ppm при работе на ДТ до 770 ppm при работе на ЭТЭ (на 39,8 %), также выходные значения СМОхвь,храс, снижаются с 1,40 г/м3 при работе на ДТ до 0,87 г/м3 при работе на ЭТЭ (на 39,6 %), а выходные значения Тшхвыхрас снижаются с 980 ppm при работе на ДТ до 592 ррш при работе на ЭТЭ (на 39,6%).

6. Экспериментальными исследованиями и расчетным путем определены значения содержания оксидов азота, расчетного объемного содержания rNOxpac4 имассовой концентрации Смохрасч оксидов азота в ОГ дизеля 44 11,0/12,5 в зависимости от изменения нагрузки. Установлено, что при оптимальных установочных УОВТ на режиме номинальной нагрузки при п = 2200 мин", ре = 0,64 МПа происходит снижение объемного содержания rNOxpac4 И массовой концентрации Скохрас, оксидов азота с 920 ррт и 1,39 г/м3 при работе на ДТ, до 660 ррт и 1,05 г/м при работе на ЭТЭ, т.е. на 28,3 %, а на режиме максимального крутящего момента при п = 1700 мин'', ре = 0,69 МПа происходит снижение объемного содержания и массовой концентрации CN0KpaC4 оксидов азота с 1200 ррт и 1,73 г/м3 при работе на ДТ, до 810 ррт и 1,17 г/м3 при работе на ЭТЭ, т.е. на 32,5 %.

7. Экспериментальными исследованиями и расчетным путем определены значения содержания оксидов азота, расчетного объемного содержания rNOxpac, имассовой концентрации Cnox расч оксидов азота в ОГ дизеля 44 11,0/12,5 в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала при оптимальных установочных УОВТ. Установлено, что при работе дизеля на ДТ при увеличении частоты вращения коленчатого вала двигателя с п = 1200 мин" до п = 2200 мин' происходит уменьшение объемного содержания оксидов азота rN£XpaC4 с 1295 до 910 ррт и массовой концентрации оксидов азота СМОхРасч с 1,86 до 1,31 г/м , а при работе дизеля на ЭТЭ при увеличении частоты вращения коленчатого вала двигателя с п = 1200 мин до п = 2200 минпроисходит уменьшение объемного содержания оксидов азота rNOx расч с 870 до 665 ррт и массовой концентрации оксидов азота Сьюхрасч с 1,25 до 0,96 г/м3.

При работе дизеля на ЭТЭ объемное содержание rNOxpac, и массовая концентрация Сшхрасч оксидов азота ниже в среднем на 33 % во всем диапазоне изменения частот вращения коленчатого вала двигателя.

8. При работе дизеля на ЭТЭ перерасход денежных средств - при годовой наработке 500 мото-часов составляет 117700 руб./год. Экономическая эффективность от снижения ущерба, наносимого токсичными компонентами, выбрасываемыми в атмосферу с ОГ дизеля при работе на ЭТЭ, составит не менее 154788,45 руб. на Ідвигатель в год. Годовой экономический эффект от экономии ДТ за счет перевода дизеля 44 11,0/12,5 на работу на ЭТЭ составляет 37088,45 руб./год на 1 двигатель при годовой наработке 500 мото-часов (в ценах на март 2011 г).

Положения диссертации опубликованы в 32 работах, основные из которых следующие:

Монография:

1. Лиханов В .А., Зонов A.B. Улучшение экологических показателей дизеля 44 11,0/12,5 при работе на этаноло-топливной эмульсии путем снижения содержания оксидов азота в отработавших газах: Монография. - Киров: Вятская ГСХА, 2012. - 169 с.

Статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ:

2. Влияние применения этаноло-топливной эмульсии на индикаторные, экологические показатели и характеристики тепловыделения дизеля / Лиханов В.А., 4упраков А.И., Зонов A.B., Шаромов И.М. И Тракторы и сельхозмашины, 2011, № 9. - С. 13 - 16.

3. Влияние применения этаноло-топливной эмульсии на эффективные показатели дизеля 44 11,0/12,5 / Лиханов В.А., 4упраков А.И., Зонов A.B., Шаромов И.М. // Транспорт ка альтернативном топливе, 2011, № 4. - С 50 - 53.

Статьи:

4. Зонов A.B. Особенности процесса образования оксидов азота в цилиндре дизеля при работе на этаноло-топливной эмульсии // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей внутреннего сгорания. Материалы Международ, науч.-практич. конф. «Наука -

Технология - Ресурсосбережение»: Сб. науч. тр. - С. - Петербург - Киров: Российская

Академия транспорта - Вятская ГСХА, 2009. - Вып. 6. - С. 68 - 75.

5 Зонов A.B. Влияние оксидов азота в отработавших газов автомобильного транспорта //Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продушииТльского хозяйства: Московские чтения: материалы Международ науч.-пракгич. конф. Вып. XI / Map. гос. ун-т. - Йошкар-Ола, 2009.

6 Зонов A.B. Влияние отработавших газов автомобильного транспорта на окружающую среду // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей внутреннего сго-раЗатериалы II Международ, науч.-пракгич. конф. «Наука - Технология- Ресурсос. бережение»: Сб. науч. тр. - С. - Петербург - Киров: Российская Академия транспорта -

Вятская ГСХА, 2009. - Вып. 7. -стр. 36-38.

7 Зонов A.B. Методы снижения содержания оксидов азота в отработавших газах дизелей //Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства: Мосоловские чтения: материалы Международ, науч, практич. конф. Вып. XII / Map. гос. ун-т. - Йошкар-Ола, 2010. - С. 166 - 168.

8 Зонов A.B. Пути снижения содержания оксидов азота в отработавших газах // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей внутреннего сгорания. Материалы Ш Международ, науч.-пракгич. конф. «Наука - Технология - Ресурсосбережение», по«* щепной 100-летию со дня рождения профессора AM. Г^тевича.Сб^науч. тр -С. - Петер^ бург - Киров: Российская Академия транспорта - Вятская ГСХА, 2010. - вып. в. о.

35' 9 Зонов A.B., Чупраков А.И., Шаромов И.М. Влияние применения этаноло-тошшвной эмульсии (ЭТЭ) в дизеле 44 11,0/12,5 (Д-243) на мощностные и экономические показатели в зависимости от изменения нагрузки // С6 науч. Тр. Медарод коиф. Дви-гатель-2010, посвященной 180-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана - М.: МГТУ им. Н.Э. Бау-

ШНа' 210.0Шаром^И3М4; Зонов A.B., Чупраков А.И. Анализ свойств этаноло-тошшвных эмульсий // Сб. науч. тр. международ, конф. Двигатель-2010, посвященной 180-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. - С. 416 - 420.

11 Зонов A B., Чупраков А.И., Шаромов И.М. Анализ эффективных показателей дизеля 44 11,0/12,5 в зависимости от изменения УОВТ при работе на этаноло-топливнои эмульсии // Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства: Мосоловские чтения: материалы Мевдународ. науч.-пракгич. конф. Вып. XIII / Map. гос. ун-т. - Йошкар-Ола, 2011. - С. 228 - ¿зи

12 Чупраков А.И., Зонов A.B., Шаромов И.М. Влияние применения этаноло-топливных эмульсий „а индикаторные показатели дизеля 44 11,0/12,5 в зав,™сти от уС тановочного УОВТ // Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукцииТельского хозяйства: Мосоловские чтения, материалы Меадуна-род. науч.-практич. конф. Вып. XIII / Map. гос. ун-т. - Йошкар-Ола, 2011. - С. 212- 215.

13 Зонов A.B. Влияние применения этаноло-топливнои эмульсии в дизеле 44 11 0/12 5'на мощностные и экономические показатели // Проведение научных исследований под руководством приглашенных исследователей в 2010 году, материмы Всероссийской конф с элементами науч. школы для молодежи в рамках феданой целевои программы «Научные и научно-педагогические: кадры инновационной России» на 2009-2013

годы. - Киров: Изд-во Вят11 у, 2010. - с. 146 -150.

14 Зонов А В, 4упраков А.И., Шаромов И.М. Исследование применения этаноло-

топливной эмульсии на экологические показатели дизеля 44 М™*3^0^ изменения нагрузки при номинальной частоте вращения коленчатого вала // На ке ового века - знания молодых: Материалы Международ, науч.-пракгич. конф. молодых ученых,

аспирантов и соискателей: Сборник научных трудов. В Зч. 4.II. Биологические, ветеринарные и технические науки. - Киров: Вятская ГСХА, 2011. - С. 106 - 113.

15. Лиханов В .А., Зонов A.B., Чупраков А.И., Шаромов И.М. Влияние применения этаноло-топливной эмульсии на токсические показатели дизеля 44 11,0/12,5 в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала // IV Международ, науч.-практич. конф. «Наука - Технология - Ресурсосбережение». Сб. науч. тр. Вып. 9. Улучшение эксплуатационных показателей двигателей внутреннего сгорания. - Киров: Вятская ГСХА, 2011. -С. 39-41.

16. Лиханов В .А., Лопатин О.П., Зонов A.B. Влияние применения ЭТЭ на показатели процесса сгорания, объемное содержание и массовую концентрацию оксидов азота в цилиндре дизеля 44 11,0/12,5 в зависимости от угла поворота коленчатого вала // IV Международ. науч.-практич. конф. «Наука - Технология - Ресурсосбережение». Сб. науч. тр. Вып. 9. Улучшение эксплуатационных показателей двигателей внутреннего сгорания -Киров: Вятская ГСХА, 2011. - С. 46 - 56.

17. Лиханов В.А., Чупраков А.И., Зонов A.B., Шаромов И.М. Влияние применения этаноло-топливной эмульсии на показатели процесса сгорания и характеристики тепловыделения дизеля 44 11,0/12,5 в зависимости от изменения утсановочного УОВТ // IV Международ науч-пракгич. конф. «Наука - Технология - Ресурсосбережение». Сб. науч. тр. Вып. 9. Улучшение эксплуатационных показателей двигателей внутреннего сгорания. -Киров: Вятская ГСХА, 2011. - С. 94 -100.

18. Лиханов В .А., Чупраков А.И., Зонов A.B., Шаромов И.М. Индикаторные показатели дизеля 44 11,0/12,5 при работе на этаноло-топливной эмульсии // IV Международ, науч.-практич. конф. «Наука - Технология - Ресурсосбережение». Сб. науч. тр. Вып. 9. Улучшение эксплуатационных показателей двигателей внутреннего сгорания. - Киров-Вятская ГСХА, 2011. - С. 100 - 104.

19. Лиханов В .А., Шаромов И.М., Зонов A.B., Чупраков А.И. Влияние применения этаноло-топливной эмульсии на экологические показатели дизеля 44 11,0/12,5 в зависимости от изменения нагрузки // IV Международ, науч.-практич. конф. «Наука - Технология -Ресурсосбережение». Сб. науч. тр. Вып. 9. Улучшение эксплуатационных показателей двигателей внутреннего сгорания. - Киров: Вятская ГСХА, 2011. - С. 105 - 109.

20. Зонов A.B. Влияние применения ЭТЭ на показатели процесса сгорания, объемное содержание и массовую концентрацию оксидов азота в цилиндре дизеля 44 11,0/12,5 в зависимости от угла поворота коленчатого вала // В38 Вестник НГИЭИ. Серия технические науки. Вып. 5 (6). - Княгинино: НГИЭИ, 2011. - Нижегородский государственный инженерно-экономический институт, 149 - 168 с.

Заказ № 72. Подписано к печати 28 февраля 2012 г. Объем 1,05 пл. Тираж 100 экз. Бумага офсетная. Цена договорная. 610017, Киров, Вятская ГСХА, Октябрьский проспект, 133. Отпечатано в типографии ВГСХА, г. Киров, 2012 г.

61 12-5/2629

ФГБОУ ВПО «ВЯТСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ»

Зонов Антон Васильев

На правах рукописи

УЛУЧШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДИЗЕЛЯ 44 11,0/12,5 ПРИ РАБОТЕ НА ЭТАНОЛО-ТОПЛИВНОЙ ЭМУЛЬСИИ ПУТЕМ СНИЖЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ОКСИДОВ АЗОТА В ОТРАБОТАВШИХ

ГАЗАХ

Специальность: 05.04.02 - Тепловые двигатели

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор В.А. Лиханов

Киров-2011

СОДЕРЖАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ 2

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 5

ВВЕДЕНИЕ 7

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 11

1.1. Общие сведения об оксидах азота 11

1.2. Теория образования оксидов азота при горении 12

1.3. Исследование механизмов образования оксидов азота в

условиях камеры сгорания дизеля 21

1.4. Анализ методов снижения содержания оксидов азота в ОГ дизелей 28

1.4.1. Снижение содержания оксидов азота в ОГ путем изменения режимов работы дизеля 29

1.4.2. Снижение содержания оксидов азота в ОГ дизеля путем

изменения параметров топливоподающей аппаратуры 34

1.4.3. Снижение содержания оксидов азота в ОГ дизеля путем применения воды и эмульсий 38

1.4.4. Снижение содержания оксидов азота в ОГ дизеля путем применения рециркуляции отработавших газов 40

1.4.5. Снижение содержания оксидов азота в ОГ дизеля путем применения нейтрализаторов 44

1.4.6. Снижение содержания оксидов азота в ОГ дизеля путем применения комплексных систем снижения токсичности и малотоксичных рабочих процессов 51

1.4.7. Снижение содержания оксидов азота в ОГ дизеля путем применения альтернативных топлив 57

1.5. Физико-химические процессы образования оксидов азота

при сгорании углеводородного топлива 58

1.6. Задачи исследований 60

2. ОСОБЕННОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ ОКСИДОВ АЗОТА В ЦИЛИНДРЕ ДИЗЕЛЯ 44 11,0/12,5 ПРИ РАБОТЕ НА ЭТЭ 61

2.1. Химизм процесса образования оксидов азота в цилиндре дизеля

44 11,0/12,5 при работе на ЭТЭ 61

2.2. Уточненная методика расчета выбросов оксидов азота с отработавшими газами дизелей семейства 44 11,0/12,5 при работе на ЭТЭ 68

2.3. Уточненная методика расчета удельных выбросов оксидов азота в цилиндре дизелей семейства 44 11,0/12,5 при работе на ДТ 75

2.4. Уточненная методика расчета концентрации оксидов азота в цилиндре дизелей семейства 44 11,0/12,5 при работе на ЭТЭ 79

2.5. Уточненная методика определения выбросов загрязняющих веществ

в атмосферу в дизеле 44 11,0/12,5 при работе на ЭТЭ 87

2.6. Теоретические расчеты объемного содержания и массовой концентрации оксидов азота в цилиндре дизеля 44 11,0/12,5 при работе на ЭТЭ 94

3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ РАБ04ЕГ0 ПРОЦЕССА ДИЗЕЛЯ 44 11,0/12,5 ПРИ РАБОТЕ НА ЭТАНОЛО- 103

ТОПЛИВНОЙ ЭМУЛЬСИИ

3.1. Цель и задачи исследований 103

3.2. Объект испытаний 103

3.3. Методика стендовых исследований рабочего процесса дизеля

44 11,0/12, на ЭТЭ 103

3.3.1. Особенности экспериментальной установки, приборов и оборудования для исследования рабочего процесса дизеля при работе на этаноло-топливной эмульсии 108

3.4. Расчет выбросов вредных газообразных веществ 116

3.5. Методика обработки результатов исследований. Ошибки измерений 118 4. СНИЖЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ОКСИДОВ АЗОТА В ОТРАБОТАВШИХ ГАЗАХ ДИЗЕЛЯ 44 11,0/12,5 ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ ЭТАНО-ЛО-ТОПЛИВНОЙ ЭМУЛЬСИИ 122

4.1. Влияние применения ЭТЭ на экономические, токсические показатели и показатели рабочего процесса дизеля 44 11,0/12,5 в зависимости от изменения установочного УОВТ 122

4.1.1. Влияние применения ЭТЭ на эффективные показатели дизеля

44 11,0/12,5 в зависимости от изменения установочного УОВТ 122

4.1.2. Влияние применения ЭТЭ на экологические показатели дизеля

44 11,0/12,5 в зависимости от изменения установочного УОВТ 127

4.2. Влияние применения ЭТЭ на эффективные и токсические показатели дизеля 44 11,0/12,5 в зависимости от изменения нагрузки 130

4.2.1. Влияние применения ЭТЭ на эффективные показатели дизеля

44 11,0/12,5 в зависимости от изменения нагрузки 130

4.2.2. Влияние применения ЭТЭ на токсические показатели дизеля

44 11,0/12,5 в зависимости от изменения нагрузки 136

4.3. Влияние применения ЭТЭ на токсические показатели дизеля 44 11,0/12,5 в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала

4.4. Влияние применения ЭТЭ на показатели процесса сгорания, объемное содержание и массовую концентрацию оксидов азота в цилиндре дизеля 44 11,0/12,5 143

4.4.1. Влияние применения ЭТЭ на объемное содержание и массовую концентрацию оксидов азота и показатели процесса сгорания в цилиндре дизеля 44 11,0/12,5 в зависимости от изменения установочного УОВТ 143

4.4.2. Влияние применения ЭТЭ на показатели процесса сгорания, объемное содержание и массовую концентрацию оксидов азота в цилиндре дизеля 44 11,0/12,5 в зависимости от угла поворота коленчатого вала 148

4.5. Влияние применения ЭТЭ на объемное содержание и массовую концентрацию оксидов азота в отработавших газах, показатели процесса сгорания в цилиндре дизеля 44 11,0/12,5 в зависимости от изменения нагрузки и частоты вращения

4.5.1. Влияние применения ЭТЭ на объемное содержание и массовую концентрацию оксидов азота в отработавших газах, показатели процесса сгорания в цилиндре дизеля 44 11,0/12,5 на различных нагрузочных режимах 165

139

165

4.5.2. Влияние применения ЭТЭ на объемное содержание и массовую концентрацию оксидов азота в отработавших газах и показатели процесса сгорания в цилиндре дизеля 44 11,0/12,5 в зависимости от изменения частоты

вращения 168 5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭТАНОЛО-ТОПЛИВНОЙ ЭМУЛЬСИИ В КАЧЕСТВЕ

МОТОРНОГО ТОПЛИВА В ДИЗЕЛЕ 44 11,0/12,5 172

ОБЩИЕ ВЫВОДЫИ РЕКОМЕНДАЦИИ 179

ЛИТЕРАТУРА 183

ПРИЛОЖЕНИЯ 205

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

1. ДВС - двигатель внутреннего сгорания

2. ДТ - дизельное топливо

3. КС - камера сгорания

4. ЕЭК - Европейская экономическая комиссия

5. ЖН - жидкостный нейтрализатор

6. КН - каталитический нейтрализатор

7. ЭТЭ - этаноло-топливная эмульсия

8. ЭВС - этаноло-воздушная смесь

9. ЭВВ - этаноло-воздушный вихрь

10. кпд - коэффициент полезного действия

11. ОГ - отработавшие газы

12. ЦЧ - цетановое число

13. МТ - моторное топливо

14. ПДК - предельно допустимая концентрация

15. ПЗВ - период задержки воспламенения

16. ТНВД - топливный насос высокого давления

17. ТПА - топливоподающая аппаратура

18. УОВТ - угол опережения впрыскивания топлива

19. в.м.т. - верхняя мертвая точка

20. н.м.т. - нижняя мертвая точка

21. п.к.в. - поворот коленчатого вала

22. NO - оксид азота, %, ррш, г/(кВт-ч)

23. NOx - оксиды азота, %, ррш, г/(кВт-ч)

24. Снох ~ массовая концентрация оксидов азота, г/м

25. rNOx - объемное содержание оксидов азота, ррш

26. С мох теор - теоретическая массовая концентрация оксидов азота, г/м

27. rNOXTeop - теоретическое объемное содержание оксидов азота, ррш

28. CNOx мах теор - максимальная теоретическая массовая концентрация оксидов азота, г/м3

29. rNOx мах теор - максимальное теоретическое содержание оксидов азота, ррш

30. Смох вых теор - выходная теоретическая массовая концентрация оксидов азота, г/м3

31. rNOx вых теор - выходное теоретическое содержание оксидов азота, ррш

32. CNOx мах расч - максимальная расчетная массовая концентрация оксидов азота, г/м3

33. rNOx мах расч - максимальное расчетное содержание оксидов азота, ррт

34. CNOx вых расч - выходная расчетная массовая концентрация оксидов азота, г/м3

35. rNOx вых расч - выходное расчетное содержание оксидов азота, ррш

36. СО - оксид углерода, %, ррт, г/(кВт-ч)

37. С02 - диоксид углерода, %, ррт, г/(кВт-ч)

38. С - сажа, ед. по шкале Bosch

39. СпНт - суммарные углеводороды, %, ррт, г/(кВт-ч)

40. ре - среднее эффективное давление, МПа

41. р2 - давление сгорания в цилиндре, МПа

42. р2тах - максимальное давление сгорания в цилиндре, МПа

43. рс - давление в конце такта сжатия, МПа

44. рвп - давление во впускном трубопроводе, МПа

45. ©впр - установочный угол опережения впрыскивания топлива, градус

46. Эдт, ©этэ - установочный угол опережения впрыскивания дизельного топлива и ЭТЭ соответственно, градус

47. <р - угол поворота коленчатого вала, градус п.к.в.

48. ф! - угол, соответствующий периоду задержки воспламенения, градус п.к.в.

49. с1%/с1ф - относительная скорость активного тепловыделения, 1/градус

50. ёр/ёф - скорость нарастания давления в цилиндре, МПа/градус 51.1:вп - температура впускных газов, °С

52.^ - температура отработавших газов, °С

53. Т - осредненная температура цикла в цилиндре, К

54. Ттах - максимальная осредненная температура цикла в цилиндре, К

55. п - частота вращения коленчатого вала дизеля, мин

56. - эффективная мощность дизеля, кВт

57. Мк - крутящий момент дизеля, Н-м

58. Ов - часовой расход воздуха, кг/ч

59. От - часовой расход топлива, кг/ч

60. ОТДТПрив - часовой расход дизельного топлива в составе эмульсии, кг/ч

61. Беприв - удельный эффективный расход ДТ в составе эмульсии, г/(кВт-ч)

62. г|у - коэффициент наполнения

63. а - коэффициент избытка воздуха

64. т|е - эффективный коэффициент полезного действия

65. Т} - период задержки воспламенения

66. х - относительное тепловыделение от сгорания топлива

67. %1 - активное тепловыделение

68. е - степень сжатия

ВВЕДЕНИЕ

Промышленное производство и энергетика, автомобильный транспорт и авиация, химизация сельского хозяйства и многие другие сферы деятельности человека приводят к изменению внешней среды и являются источниками загрязнения атмосферы, почвы, водоемов и морей.

Автомобильный транспорт вносит существенный вклад в загрязнение воздушного бассейна. Значительная доля выбросов вредных веществ приходится на транспорт, оборудованный дизелями. Благодаря своим высоким технико-экономическим показателям дизель еще долго будет оставаться основным силовым агрегатом для коммерческого автотранспорта и для сельского хозяйства, а доля легковых автомобилей с дизелями будет увеличиваться. Поэтому работы по улучшению экологических характеристик дизелей являются актуальными. Автотранспортный комплекс относится к числу наиболее энергоемких секторов экономики и является одним из основных потребителей моторных топлив. На его долю приходится около 70 % производимого в стране жидкого нефтяного топлива, мировые и национальные запасы которого непрерывно сокращаются. Неизбежное истощение нефтяных месторождений, повышение мировых цен на нефть, непрерывное ужесточение требований к экологическим показателям транспортных двигателей (в частности, дизелей) вынуждают двигателестроителей искать замену традиционным нефтяным моторным топливам. Использование на транспорте различных альтернативных топлив, получаемых из природного газа, угля, возобновляемых источников энергии, обеспечит решение проблемы замещения нефтяных топлив, значительно расширит сырьевую базу для получения моторных топлив, облегчит решение вопросов снабжения транспортных средств топливом. Возможность получения топлив с требуемыми физико-химическими свойствами позволит целенаправленно воздействовать на протекание рабочих процессов дизелей и, тем самым, улучшить их экономические и экологические показатели, вместе с тем, при адаптации дизелей к работе на нетрадиционных топливах возникает ряд трудностей, связанных с

подачей этих топлив в цилиндры двигателя, их воспламенением в условиях камеры сгорания. Особенностями их сгорания с требуемыми характеристиками.

В Российской Федерации нормы выбросов вредных веществ и сроки их введения для автомобильной техники устанавливаются Специальным техническим регламентом «О требованиях к выбросам автомобильной техникой, выпускаемой в обращение на территории Российской Федерации, вредных (загрязняющих) веществ». В соответствии с данным документом определяются максимально допустимые выбросы следующих составляющих отработавших газов: оксидов углерода (СО), углеводородов (СтНп), оксидов азота (]\ЮХ) и дисперсных частиц (ДЧ). Наибольшей токсичностью обладают ЫОх и частицы. Основными направлениями по их снижению являются: уменьшение образования в камере сгорания и нейтрализация отработавших газов.

Большое разнообразие источников и механизмов образования частиц не позволяет предотвратить их формирование в цилиндре дизеля. Поэтому жесткие требования перспективных экологических норм (Евро-4, 5) не могут быть достигнуты без использования систем снижения дисперсных частиц в отработавших газах дизелей. Способы одновременного сокращения выбросов М)х и ДЧ вне цилиндра дизеля весьма дороги и громоздки, поэтому необходимо искать пути по снижению образования оксидов азота в камере сгорания.

Для уменьшения образования Ж)х в цилиндре двигателя проводят мероприятия, направленные на снижение максимальной температуры продуктов сгорания, так как основная их масса формируется по «термическому» механизму Зельдовича. Однако последовательное снижение выбросов ]"Юх, наблюдаемое в последние годы, может привести к повышению вклада «быстрого» и «ИгО» механизмов, поскольку воздействие температуры на них не столь значимо. Поэтому для разработки эффективных мер по дальнейшему уменьшению образования МЭХ в камере сгорания перспективного дизеля необходимо оценить значимость этих механизмов.

Поршневые ДВС на сегодняшний день являются весьма экономичными тепловыми двигателями, что способствует их широкому распространению во всех сферах хозяйственной деятельности человека. Существенным недостатком поршневых двигателях можно считать то, что подавляющее большинство из них работают на нефтяных и газовых топливах, в силу чего перспективы их развития и применения напрямую связаны с изменениями, происходящими в нефтегазовом комплексе. Последние десятилетия показали, что с увеличением потребности в нефтяных и газовых топливах их стоимость хоть и колеблется в значительных пределах, но в среднем неуклонно возрастает. Анализ запасов мировых запасов сырья для получения различных топлив позволяет сделать вывод, что наиболее перспективны такие топлива, которые полученные из возобновимых источников, в частности спиртовые топлива. Среди них важное место занимает этиловый спирт (этанол) и эмульсии на его основе, для производства которого в промышленных масштабах имеются сырьевые ресурсы, в первую очередь биологического происхождения (отходы сельскохозяйственного производства, а также пищевой и деревообрабатывающей промышленности), которые относятся к возобновимым источникам сырья.

В соответствии с «Энергетической стратегией России на период до 2020 г.» (распоряжение Правительства Российской Федерации от 28 августа 2003 г. № 1234р) технический потенциал возобновляемых источников энергии составит около 4,6 млрд. тнэ в год, т.е. в 5 раз превысит объем потребления всех топливно-энергетических ресурсов России, а экономический потенциал определен в 270 млн. тнэ в год, немногим больше 25 % от годового внутреннего потребления энергоресурсов в стране. Пока что планируется повысить долю возобновляемых источников энергии к 2015 году с 1 % до 3...5 %.

В соответствии с Концепцией развития отечественного автомобилестроения на период до 2015 г., одобренной Правительством РФ, приоритетными являются исследования, направленные на применение альтернативных

видов топлив (этанол и эмульсии на его основе), в т.ч. в серийно выпускаемых ДВС. При этом использование альтернативных топлив требует серьезных исследований, сконцентрированных на изучении особенностей протекания рабочего процесса. Особое внимание необходимо уделять переводу на альтернативные топлива дизелей, которые широко распространены.

Наиболее эффективным способом применения этанола и эмульсий на его основе в настоящее время является подача его непосредственно в цилиндр дизеля через штатную топливоподающую систему. Данный способ позволяет экономить дизельное топливо (ДТ), не требуя изменений и дополнений в конструкцию дизеля и может быть реализован на двигателях, уже находящихся в эксплуатации.

Это определяет актуальность исследований, выполненных в данной работе.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 1.1. Общая характеристика оксида азота

Оксид азота (мон(о)оксид азота, окись азота, нитрозил-радикал) N0 -несолеобразующий оксид азота. Он представляет собой бесцветный газ, плохо растворимый в воде. Сжижается с трудом; в жидком и твёрдом виде имеет голубой цвет [ 152... 154].

Наличие неспаренного электрона обусловливает склонность N0 к образованию слабосвязанных димеров Это непрочные соединения с ЛНдимеризации= 17 кДж. Жидкий оксид азота на 25 % состоит из молекул Ы202, а твердый оксид целиком состоит из них.

Схема строения молекулы оксида азота представлена на рис. 1.1.

N=0

Рисунок 1.1- Схема строения молекулы оксида азота

Общие сведения:

1. Систематическое наименование - Оксид азота

2. Химическая формула - N0

3. Молярная масса - 30.0061 г/моль Физические свойства:

1. Состояние (ст. усл.) бесцветный газ

2. Плотность 0,00134 (газ) г/см3 Термические свойства

1. Температура плавления - 163.6 °С

2. Температура кипения - 151.7 °С

3. Энтальпия образования (ст. усл.) 81 кДж/моль

Химические свойства: растворимость в воде - 0,01 г/100 мл Классификация: per. номе