Введение к работе
Актуальность темы. Прогнозы отмечают опасность скорого истощения запасов нефти. Кроме того, технология добычи нефти существенно усложняется. Усложняется и удорожает переработка более «грязной» нефти. Неизбежно повышение стоимости традиционных нефтяных топлив, особенно дизельных, отвечающих требованиям ЕВРО - 5, с содержанием серы менее 10 ч. н. м. (по оценке Международного энергетического агентства (МЭА) к 2030 г. мировые потребности в энергоносителях вырастут на 50%). На общегосударственном уровне Европа к 2020 году на 23% заменит традиционные топлива альтернативными. Шри - Ланка - страна с ограниченными запасами традиционных энергоресурсов для производства моторных топлив. Страна существенно зависит от экспорта сырой нефти, газа, бензинов и дизельных топлив. В то же время сельскохозяйственная на-
правленность страны определяет наличие большого объёма биоресурсов, применимых для производства био - спиртов, био - газов, вообще, био -топлив, которые относятся к возобновляемым источникам энергии. Применение био - топлив в стране актуально как с точки зрения энергообеспечения, так и с точки зрения снижения экологической нагрузки на природу, атмосферу, особенно в крупных населённых пунктах. При этом следует учитывать особенности климата страны (жаркий тропический), который усложняет экологическую обстановку. Шри - Ланка практически не имеет собственного достаточно объёмного производства двигателей внутреннего сгорания автотранспортного назначения. В связи с этим, применение различных методов и средств решения энергетических и экологических проблем должно идти по пути модернизации существующих ДВС, по пути приспособления существующих рабочих процессов и конструкций ДВС к новым техническим решениям. Одним их альтернативных топлив, обеспечивающих по меньшей мере частичное решение задач энергоснабжения и повышения экологического качества окружающей среды, для Шри - Ланка является спиртовое топливо биологического происхождения, причём, именно био - этанол (нежелательность применения метанола связана как с его ядовитостью, так и с его коррозионной агрессивностью).
Одним из эффективных методов организации рабочих процессов спирто - дизелей является создание спирто - топливной эмульсии во время работы дизеля вводом этанола в дизельное топливо (ДТ) в линии высокого давления (ЛВД) вблизи форсунки с использованием штатной топливной системы, оснащённой клапанами регулирования начального давления (РНД). Такие системы называют также системами с импульсной подачей добавок к топливу. Недостатком таких систем является зависимость количества подаваемой добавки (спирта) от характеристики штатной топливной аппаратуры и, как правило, возрастание количества добавки со снижением нагрузки и частоты вращения вала дизеля. Этим нарушается рациональность, возможная оптимальность количества вводимого ЭТ.
Цель диссертационной работы. В работе поставлена цель повышения эффективности, экономичности и экологических качеств автотракторного дизеля использованием этанола в качестве добавки к дизельному топливу.
Для достижения указанной цели решались следующие задачи. Подбор элементов топливной аппаратуры для организации процесса спирто - дизеля. Расчётно - экспериментальный анализ физико - химических и моторных свойств смесевых спирто - дизельных топлив (этанол + дизельное топливо). Анализ возможностей снижения токсичности выбросов, а также составляющей парниковых газов 0(. Организация работы спирто - дизеля на режимах малых нагрузок и холостых ходов. Определение возможных количественных показателей экономии дизельного топлива замещением его этанолом. Определение возможных показателей совер-
шенствования динамических качеств дизеля при замещении части дизельного топлива этанолом.
Методы исследования. В работе применены экспериментальные и расчётно - экспериментальные методы исследования, в том числе математическое моделирование неустановившихся режимов разгонов дизеля и его модификации - спирто - дизеля в широком диапазоне частот вращения. А также моделирование режимов спирто - дизеля при его регулировании методом отключения - включения цилиндров или циклов.
Достоверность результатов экспериментальных исследований и результатов математического моделирования определяется достаточной точностью применявшегося оборудования и стендов, сходимостью результатов с результатами опубликованных экспериментальных исследований, обработанных с применением методов математической статистики.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней подтверждена возможность совершенствования энергетических и экологических качеств дизеля типа Д-240 добавкой этанола к основному топливу. Разработаны рекомендации по модернизации топливной аппаратуры дизеля типа Д-240, с целью применения этанола, как добавки к основному топливу. Проведены уточнения ряда физико - химических, моторных, теплофизиче-ских свойств смесевых спирто - дизельных тонлив с различным содержанием этанола в них и горючих смесей на их основе. Проведена оценка возможностей снижения выбросов С02 при работе на смесевых топливах с разным содержанием этанола. Разработан метод регулирования работы спирто - дизеля в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов путём «безреечного» регулирования (отключением - включением части цилиндров или циклов). Получены количественные показатели экономии дизельного топлива частичным замещением его этанолом. Показана эффективность метода ввода этанола в дизельное топливо для форсирования дизеля при реализации неустановившихся режимов разгонов и получены количественные показатели.
Практическая ценность работы, особенно для Шри - Ланка, заключается в возможности модернизационным путём внедрить в дизели автотракторного назначения, оснащённые топливными системами разделённого типа, использование этанола для экономии традиционных тошшв, повышения экологических качеств дизелей и улучшения их динамических качеств. Практическая ценность работы заключается также в том, что реализация разработанных мероприятий по управлению дизелем безреечным методом позволяет повысить долю замещения дизельного топлива спиртовым - этанолом. Практической ценностью обладают также предложенные уточняющие аппроксимирующие зависимости определения цетановых чисел смесевых спирто - дизельных топлив (ЭТ + ДТ).
Реализация результатов работы. Материалы исследования применяются при выполнении госбюджетной научно - исследовательской работы кафедры теплотехники и тепловых двигателей Российского универси-
тета дружбы народов, в учебном процессе, в том числе при подготовке магистерских и кандидатских диссертаций.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на ежегодных научно - технических конференциях инженерного факультета РУДЫ в 2008, в 2009 и 2010 годах, а также на 84-м и 85-м Всероссийских научно - технических семинарах по автоматическому управлению и регулированию теплоэнергетических установок им. проф. В. И. Кругова в МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2009 и 2010 г. г.
Публикации. Основные результаты работы изложены в семи публикациях, изкторых 5 - статьи и 2 - тезисы докладов, (все - в изданиях по списку ВАК РФ).
Структура п объём работы. Работа содержит введение, четыре главы основного содержания, выводы но главам и основные выводы и рекомендации по работе, приложение, список источников информации из 97 наименований. Работа изложена на 148 страницах, из которых 110 страниц основного машинописного текста, 76 иллюстраций, 8 таблиц.
