Содержание к диссертации
Введение
1. Предпосылки вопроса 11
1.1. Перспективы применения этанола в качестве моторного топлива для дизелей 11
1.2. Анализ свойств топливных эмульсий при применении их в дизелях 14
1.3. Мировой опыт использования топливных эмульсий в дизелях 19
1.4. Характеристика процесса испарения капель топливных эмульсий 23
1.5. Влияние применения этанола в дизелях на эффективные показатели дизеля 30
1.6. Задачи исследований 30
2. Теория влияния на рабочий процесс дизеля 44 11,0/12,5 при работе на этаноло-топливной эмульсии 32
2.1. Моделирование процессов испарения и смесеобразования в цилиндре дизеля 44 11,0/12,5 при работе на этаноло-топливной эмульсии 32
2.2. Расчет периода задержки воспламенения при работе дизеля 44 11,0/12,5 на этаноло-топливной эмульсии 40
3. Методика проведения экспериментальных исследований рабочего процесса дизеля 44 11,0/12,5. оборудование применяемое при исследованиях 50
3.1. Объект исследований 50
3.2. Алгоритм проведения исследований 50
3.3. Алгоритм исследования физических свойств этаноло-топливных эмульсий 55
3.4. Описание экспериментальной установки, приборов и оборудования для исследования рабочего процесса дизеля при работе на этаноло-топливной эмульсии 59
3.5. Расчет ошибок и погрешностей измерений 66
4. Исследование рабочего процесса дизеля 44 11,0/12,5 при использовании в качестве топлива этаноло-топливной эмульсии 69
4.1. Результаты исследований свойств этаноло-топливных эмульсий с использованием присадок целенаправленного действия 69
4.2. Влияние применения этаноло-топливной эмульсии на эффективные, экологические показатели и показатели рабочего процесса дизеля 44 11,0/12,5 в зависимости от изменения установочного УОВТ 76
4.2.1. Влияние применения этаноло-топливной эмульсии на эффективные показатели дизеля 44 11,0/12,5 в зависимости от изменения установочного УОВТ 76
4.2.2. Влияние применения этаноло-топливной эмульсии на экологические показатели дизеля 44 11,0/12,5 в зависимости от изменения установочного УОВТ 80
4.2.3. Влияние применения этаноло-топливных эмульсий на индикаторные показатели, показатели процесса сгорания и характеристики тепловыделениия дизеля 44 11,0/12,5 в зависимости от изменения установочного УОВТ 86
4.3. Влияние применения этаноло-топливных эмульсий на индикаторные показатели и характеристики тепловыделения дизеля 44 11,0/12,5 в зависимости от угла поворота коленчатого вала 107
4.4. Влияние применения этаноло-топливных эмульсий на показатели процесса сгорания и характеристики тепловыделения дизеля 44 11,0/12,5 113
4.4.1. Влияние применения этаноло-топливной эмульсии на показатели процесса сгорания и характеристики тепловыделения дизеля 44 11,0/12,5 в зависимости от изменения нагрузки 113
4.4.2. Влияние применения этаноло-топливной эмульсии на показатели процесса сгорания и характеристики тепловыделения дизеля 44 11,0/12,5 в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала 123
4.5. Влияние применения этаноло-топливной эмульсии на эффективные показатели дизеля 44 11,0/12,5 128
4.5.1. Влияние применения этаноло-топливной эмульсии на эффективные показатели дизеля 44 11,0/12,5 в зависимости от изменения нагрузки 128
4.5.2. Влияние применения этаноло-топливной эмульсии на эффективные показатели дизеля 44 11,0/12,5 в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала 136
4.6. Влияние применения этаноло-топливной эмульсии на экологические показатели дизеля 44 11,0/12,5 в зависимости от изменения нагрузки 142
5. Оценка экономической эффективности применения этаноло-топливной эмульсии в качестве моторного топлива в дизеле 44 11,0/12,5 147
Выводы и рекомендации 154
Литература 157
Приложение 182
- Характеристика процесса испарения капель топливных эмульсий
- Расчет периода задержки воспламенения при работе дизеля 44 11,0/12,5 на этаноло-топливной эмульсии
- Влияние применения этаноло-топливных эмульсий на индикаторные показатели и характеристики тепловыделения дизеля 44 11,0/12,5 в зависимости от угла поворота коленчатого вала
- Влияние применения этаноло-топливной эмульсии на эффективные показатели дизеля 44 11,0/12,5 в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала
Введение к работе
Актуальность проблемы. На современном этапе развития науки и техники двигатель внутреннего сгорания (ДВС) остается основным типом привода для большинства мобильных и стационарных энергоустановок. В связи с ростом мощности и количества энергоустановок, на базе ДВС, происходит увеличение наносимого ущерба окружающей среде. Тем временем, законодательно ужесточаются требования, предъявляемые к отработавшим газам (ОГ) ДВС. Также существует проблема ограниченности топлив нефтяного происхождения. Восполнение данного вида топлив невозможно. Эти проблемы могут быть решены применением альтернативных топлив не нефтяного происхождения. К ним можно отнести простейшие спирты, которые могут быть получены из отходов сельскохозяйственной отрасли, целлюлозно-бумажной, химической промышленностей. Одним из представителей простейших спиртов является этанол. Влияние различных видов альтернативного топлива требует серьезного исследования, как рабочего процесса, так и экономических показателей.
За прошлое десятилетие возможность заменены стандартного моторного топлива альтернативными для дизеля привлекла большое внимание. Обширное множество научной литературы было посвящено изысканию альтернативных топлив. У альтернативных топлив, производимых из возобновляемого сырья, есть потенциал, чтобы сохранить нефтяные ресурсы и источники энергии, так же как уменьшить выбросы загрязняющих веществ с отработавшими газами.
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).
Цель работы. Исследование рабочего процесса дизеля 4Ч 11,0/12,5 с камерой сгорания (КС) типа ЦНИДИ при работе на этаноло-топливной эмульсии (ЭТЭ).
Объект исследований. Дизель 4Ч 11,0/12,5 (Д-240) жидкостного охлаждения, с КС типа ЦНИДИ, работающий на альтернативном топливе - ЭТЭ.
Предмет исследования: мощностные, экономические и экологические показатели, процесс сгорания и тепловыделения в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 с КС типа ЦНИДИ при работе на ЭТЭ.
Научную новизну работы представляют:
- результаты исследований физических свойств ЭТЭ различного состава и с различной концентрацией присадки;
- результаты исследований склонности ЭТЭ к седиментации, выделение наиболее стабильных эмульсий;
- результаты лабораторно-стендовых и теоретических исследований влияния применения ЭТЭ на процесс сгорания, характеристики тепловыделения, эффективные, экономические и экологические показатели дизеля 4Ч 11,0/12,5 с КС типа ЦНИДИ;
- теоретический расчет длительности периода задержки воспламенения (ПЗВ) при работе дизеля 4Ч 11,0/12,5 на ДТ и ЭТЭ;
- уточненная модель процесса испарения топлива в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на ЭТЭ;
- рекомендации по применению ЭТЭ в качестве моторного топлива в дизеле 4Ч 11,0/12,5 с КС типа ЦНИДИ.
Практическая ценность работы и реализация результатов исследований.
Материалы диссертации используются в учебном процессе Вятской и Нижегородской государственных сельскохозяйственных академий, Чебоксарском политехническом институте (филиале) Московского государственного открытого университета при чтении лекций, выполнении курсовых работ и дипломном проектировании для студентов, обучающихся по специальностям 110301, 190601 и 190603.
Экономическая эффективность. При переводе дизеля 4Ч 11,0/12,5 на работу на ЭТЭ суммарная экономия от использования альтернативного моторного топлива составит 37088,45 руб. в год на один двигатель при средней наработке 500 мото-ч (в ценах на сентябрь 2011 года).
Апробация работы. Основные результаты и материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на 22 конференциях: на II Всероссийской научно-практической конференции «Наука - Технология - Ресурсосбережение», 2008 гг. (ФГБОУ ВПО «Вятская ГСХА», г. Киров); I-й, II-й, III-й и IV-й Международных научно-практических конференциях «Наука–Технология–Ресурсосбережение», 2009...2011 гг. (ФГБОУ ВПО «Вятская ГСХА», г. Киров); 8-й и 9-й межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и соискателей «Науке нового века – знания молодых», 2008, 2009 г. (ФГБОУ ВПО Вятская ГСХА, г. Киров); Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и соискателей «Науке нового века-знания молодых», посвященной 80-летию Вятской ГСХА, 2010 г. (ФГБОУ ВПО Вятская ГСХА, г. Киров); Международной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и соискателей «Науке нового века-знания молодых», 2011 г. (ФГБОУ ВПО Вятская ГСХА, г. Киров); XI-й, XII-й, XIII-й и ХIV-й Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства: Мосоловские чтения», 2008...2012 гг. (ГОУ ВПО «Марийский ГУ», г. Йошкар-Ола); Международной молодежной научной конференции «ХVI и XVII Туполевские чтения», 2008 и 2009 г. (Казанский авиационный институт–КГТУ им. А.Н. Туполева, г. Казань); Международной научно-практической конференции МГТУ им. Н.Э. Баумана «Двигатель-2010», посвященной 180-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010 г. (МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва); Международной научной конференции «Гидродинамика. Механика. Энергетические установки» Чебоксарский политехнический институт МГОУ, 2008 г.; Международных научно-практических конференциях «Энергетика предприятий АПК и сельских территорий: состояние, проблемы и пути решения», 2009, 2010, 2011 гг. (ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет», г. Санкт-Петербург).
Публикации результатов исследований. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 40 печатных работах, включая монографию объемом 9,13 п.л., 3 статьи в центральных журналах, входящих в перечень ВАК РФ, и статьи общим объемом 10,19 п.л., в т.ч. в сборниках трудов Международных и Всероссийских конференций опубликовано 33 статьи. Без соавторов опубликовано 14 статей общим объемом 3,94 п.л.
На защиту выносятся следующие положения и основные результаты исследований:
- результаты исследования физических свойств ЭТЭ различного состава и с различной концентрацией присадки;
- результаты исследований склонности этаноло-топливных эмульсий к седиментации и коалесценции, выделение наиболее стабильных эмульсий;
- результаты лабораторно-стендовых и теоретических исследований влияния применения ЭТЭ на процесс сгорания, характеристики тепловыделения, эффективные, экономические и экологические показатели дизеля 4Ч 11,0/12,5 с КС типа ЦНИДИ;
- теоретический расчет длительности ПЗВ при работе дизеля 4Ч 11,0/12,5 на ДТ и ЭТЭ;
- уточненная модель процесса испарения топлива в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на ЭТЭ;
- рекомендации по применению ЭТЭ в качестве моторного топлива в дизеле 4Ч 11,0/12,5 с КС типа ЦНИДИ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 181 странице, в том числе 148 стр. текста, содержит 42 рисунка и 8 таблиц. Список литературы изложен на 24 стр., включает 250 наименований, в том числе 20 на иностранных языках.
Характеристика процесса испарения капель топливных эмульсий
Горение ДТ в дизеле совершается путем впрыскивания через сопло форсунки в газовую фазу. В большинстве случаев его классифицируют, как пламя предварительно не перемешанной смеси, или струйное горение, которое ламинарно при низких скоростях истечения топлива и становится турбулентным при высоких скоростях потока [88].
Турбулентность внутри потока жидкости вызывает распад выходящего из сопла потока жидкости на «клубок» жидких нитей, который затем превращается в плотное облако капель [88].
Особенностью дизеля являются очень малые промежутки времени, отводимые на процесс смесеобразования, в течение которых происходит подача и распыливание топлива, его нагрев и испарение, смешение паров и капель топлива с воздушным зарядом. Эти процессы идут одновременно и продолжаются после начала сгорания [89].
В большинстве применяемых конструкций дизелей с камерами в поршне имеет место смешанное обьемно-пленочное смесеобразование с преобладанием испарения топлива до начала сгорания в объеме камеры. Испарение топлива в дизеле зависит, как от термогазодинамических и теплофизи-ческих параметров воздушного заряда и топлива, так и от динамики впрыска и распыливания последнего. Влияние движения воздушного заряда будет определяться его интенсивностью (при этом надо учитывать, как направленное движение, так и наложение турбулентных пульсаций скорости) и характером его взаимодействия с топливными факелами. Взаимодействие всех указанных факторов на различных режимах работы двигателя будет определять интенсивность процессов теплообмена и испарения топлива [89].
Исходя из особенностей рабочего процесса в дизеле целесообразно выделять отдельно испарение топлива до начала горения (т.е. за период задержки воспламенения) и испарение после воспламенения, протекающее в условиях появления пламени и продуктов сгорания. Последнее существенно, если продолжительность впрыска больше периода задержки воспламенения, что характерно для основных режимов работы быстроходных автотракторных дизелей. Раздельное рассмотрение процесса испарения диктуется не только особенностями его протекания, но и различным механизмом отдельных стадий сгорания. Количество топлива, испарившегося к моменту начала воспламенения, логично сопоставлять с характером протекания фазы быстрого сгорания; в основной фазе сгорание имеет диффузионный характер и скорость его определяется, главным образом, зависит от смешения, которая зависит в известной мере от скорости испарения. Это, видимо, и является причиной определенной связи между характером тепловыделения и законом впрыска, влияние которого сказывается и через закон испарения [89].
Скорость испарения капель топливных эмульсий напрямую зависит от скорости нагрева.
На скорость нагрева капель воды в капле ВТЭ в условиях камеры сгорания (температура газов 1500-1700С) положительно влияет то, что каплю воды отделяет от горячих газов небольшая, тк5 = 2d, пленка топлива. Несмотря на низкий коэффициент теплопроводности топлива, ее термическое сопротивление невелико, (0,5-5,0)10"6 м2хград/Вт, что обеспечивает большие тепловые потоки к капле воды и большую скорость нагревания [74].
При расчете времени нагревания мелких капель воды используется:
- уравнение теплоотдачи от горячих газов к капле ВТЭ при условии конвективного теплообмена для мелких капель NUT = 2 и при учете радиационного теплообмена (по величине коэффициента теплоотдачи, которая достаточно велика);
- уравнение теплопроводности через пленку топлива толщиной к 2d при температуре поверхности капли ВТЭ равной температуре ее кипения топлива в условиях камеры сгорания и при максимальной температуре капли;
- уравнение теплообмена топлива и находящейся в нем капли воды;
- уравнение количества теплоты, необходимой для нагревания капли воды от температуры t0 до температуры ts, где t0 - температура капли ВТЭ, поступающей в камеру сгорания; ts - температура кипения воды при давлении рк в капле [74].
Расчеты, выполненные на основе системы уравнений, показали, что при изменении диаметра капель воды от 1 мкм до 0,05 мкм время нагревания капель уменьшается до тысячных долей микросекунды. Для крупных капель, система уравнений усложняется за счет значительного влияния нестационарных составляющих процесса нагревания, и время процесса увеличивается, как видно на рисунке 1.5, оставаясь, однако, на уровне микросекунд [74].
В настоящий момент широко распространена теория «микровзрывов» капель топливных эмульсий. Данная теория заключается в том, что капля воды, при образовании эмульсии, заключается в капле топливных углеводородов. В виду меньшей температуры кипения воды (по сравнению с углеводородами) происходит разрыв капли воды, что приводит к разрыву капли углеводорода. Данный механизм позволяет интенсифицировать процесс испарения капли углеводорода. Этот механизм доказан практическими исследованиями.
Установившееся представление о механизме микровзрыва капель ВТЭ (нагрев капель воды в ВТЭ до температуры кипения, кипение воды с образованием большого количества пара и, вследствие этого, первого микровзрыва (разрыва) капель ВТЭ, возможные разрывы (взрывы) вторичных капель и несколько последовательных взрывов, в основном подтверждается теоретическими моделями и экспериментальными данными с каплями более 1 мкм (до 1-3 мм). Очевидно, что в целом механизм микровзрыва будет характерен и для мелких капель, менее 1 мкм - до сотых долей мкм, перечисленные процессы будут протекать существенно быстрее [74].
На рисунке 1.6 (по расчетам 74) приведена величина работы, а также доля работы расширения пара (работа микровзрыва) от количества теплоты, затраченной на нагревание капель воды.
В сферической капле топлива радиусом RF равномерно по всему её объёму распределены включения воды примерно одинакового радиуса Rw, концентрация которых в пределах капли может быть принята постоянной. Развиваемая далее термофизическая модель процессов основывается на гетерогенной схеме возникновения конкурентной фазы в перегретой воде, предполагающей наличие ядер, в виде парогазовых микрополостей, которые при определенной критической температуре Тсг теряют устойчивость и начинают увеличивать свой объём за счёт интенсивного испарения в них паров воды.
Практическое подтверждение теории «микровзрыва» и метод измерения описан авторами [78]. В основу методики измерений концентрации ядер конкурентной фазы и распределения их по размерам положен анализ импульсного акустического излучения, сопровождающего взрывообразный рост ядер в перегретой воде. Экспериментальная термоакустическая установка (Рисунок 1.7) состояла из термостата 1 и вспомогательного сосуда-охладителя 2, заполненных синтетическим маслом SAE 25W/50 (API CG -4/SJ), предназначенным для использования в высокооборотных турбодизелях. Масло имело температуру вспенивания порядка 395С и среднюю плотность р = 853 кг/мЗ. В термостате располагался плоский электронагреватель, питавшийся от регулируемого источника постоянного тока 3, обеспечивавшего стабилизацию заданной температуры масла в термостате. Акустический пьезокерамический широкополосный гидрофон (пьезокерамика PZT-10) в виде цилиндрической пластины толщиной 1 мм и диаметром 5x10"" м размещался у дна вспомогательного сосуда с целью предотвращения перегрева выше точки Кюри.
Перед началом измерений в механическом смесителе, работающем в режиме пузырьковой гидродинамической кавитации, приготавливалась водо-топливная эмульсия заданной обводнённости и дисперсности. Порционное устройство 9 генерировало каплю эмульсии в термостат, в котором температура ступенчато с интервалом 10 К могла изменяться от Tmjn =387 К до Тщах = 570 К. Нагревание эмульсии сопровождалось вскипанием микрообъёмов воды, содержащих ядра конкурентной фазы с размерами равными или превышающими критический для данной температуры.
Расчет периода задержки воспламенения при работе дизеля 44 11,0/12,5 на этаноло-топливной эмульсии
Предпламенные процессы в дизелях занимают малый отрезок времени но, именно эти процессы оказывают существенное влияние на качество и динамику рабочего процесса. Период задержки воспламенения является параметром, позволяющим косвенно определять токсичность и экономичность двигателя [58].
Предпламенные процессы происходящие в цилиндре дизеля, прежде всего включают в себя нагревание и испарение капель топлива. Данные процессы происходят за относительно небольшой период времени 20-30 градусов поворота коленчатого вала. ПЗВ определяется от момента начала впрыскивания до начала видимого процесса сгорания, т. е. до начала отрыва линии на индикаторной диаграмме от линии прокрутки. ПЗВ определяющий параметр для формирования токсичных компонентов в ОГ, мощностных и экономических показателей, также он определяет развитие процесса сгорания.
В настоящее время существует ряд методик по определению ПЗВ [58, 152, 161], некоторые из них сводятся к эмпирическим формулам описывающим процессы только конкретных марок двигателей.
Методика предложенная Г.М. Камфером [3, 86, 87] предназначена для определения ПЗВ дизелей работающих на разных видах топлива. Она позволяет учитывать особенности свойств топлива.
В основу данной методики положен первый закон термодинамики. В данную методику введены следующие переменные, которые учитывают: переменные скорости впрыскивания и испарения учитывая при этом время и температуру; понижение температуры в зоне воспламенения вследствие нагрева и испарения топлива; влияние продолжающегося сжатия заряда в процессе впрыскивания [7]. Данная методика не позволяет учесть: теплоотдачу в стенки; изменение массы заряда при испарении порции топлива; влияние выгорания топлива на скорость химических реакций.
Первые реакции окисления паров углеводородов начинаются в обогащенных зонах с не очень высокой температурой, первые же очаги воспламенения рождаются в стехиометрическом слое с наибольшими температурами [166].
Результаты расчетов определения ПЗВ для дизеля работающего на ЭТЭ произведенных по формулам представленным в разделе 2.2, была составлена таблица 2.1.
Результаты экспериментальных и расчетных данных ПЗВ при работе дизеля 44 11,0/12,5 на ДТ и ЭТЭ представлены на рисунке 2.1.
При сравнении экспериментальных данных по значениям ПЗВ при работе дизеля 44 11,0/12,5 на ДТ и ЭТЭ можно сделать следующие выводы: выявляется увеличение ф; на всем интервале частот. На режиме малых частот при п = 1200 мин"1 фі = 20,0 п.к.в. при работе на ДТ и фі = 22,5 п.к.в. при работе на ЭТЭ. С увеличением частоты до максимальной при п = 2400 мин"1 ФІ = 22,6 п.к.в. при работе на ДТ, а при работе на ЭТЭ фі = 29,0 п.к.в.
Увеличение составляет 6,4 п.к.в. При переходе на работу на ЭТЭ и частоте вращения коленчатого вала соответствующей п = 1400 мин 1 ПЗВ увеличивается от ф; = 20,5 п.к.в. до фі = 23,1 п.к.в. при работе на ЭТЭ; при п = 1600 мин" 1 - с фі = 20,9 п.к.в. до ф; = 24,0 п.к.в. при работе на ЭТЭ; при п = 1800 мин"1 -с ф; = 21,3 п.к.в. до ф; = 25,2 п.к.в. при работе на ЭТЭ; при п = 2000 мин"1 - с фі = 21,8 п.к.в. до фі = 26,4 п.к.в. при работе на ЭТЭ; при п = 2200 мин"1 - с ФІ = 22,0 п.к.в. до ф; = 28,0 п.к.в. при работе на ЭТЭ; при п = 2400 мин"1 - с фі = 22,6 п.к.в. до ф; = 29,0 п.к.в. при работе на ЭТЭ, увеличение составляет 31%. п= 1600 мин п= 1800 мин п = 2000 мин п = 2200 мин При сравнении расчетных данных по значениям ПЗВ при работе дизеля 44 11,0/12,5 на ДТ и ЭТЭ можно отметить некоторые особенности. Также выявляется увеличение фі на всем интервале частот. На режиме малых частот при п= 1200 мин"1 фі = 20,31 п.к.в. при работе на ДТ и ф; = 22,84 п.к.в. при работе на ЭТЭ. С увеличением частоты до максимальной при п = 2400 мин"1 ФІ = 21,91 п.к.в. при работе на ДТ, а при работе на ЭТЭ ф; = 30,13 п.к.в. Увеличение составляет 8,22 п.к.в. При переходе на работу на ЭТЭ и частоте вращения коленчатого вала соответствующей п = 1400 мин"1 ПЗВ увеличивается от ф; = 20,64 п.к.в. до фі = 23,66 п.к.в. при работе на ЭТЭ; при - с фі = 20,82 п.к.в. до ф; = 24,79 п.к.в. при работе на ЭТЭ; при - с ф; = 21,06 п.к.в. до ф; = 25,85 п.к.в. при работе на ЭТЭ; при - с фі = 21,33 п.к.в. до ф; = 27,13 п.к.в. при работе на ЭТЭ; при - с фі = 21,72 п.к.в. до ф; = 28,91 п.к.в. при работе на ЭТЭ; при п = 2400 мин"1 - с ф = 21,91 п.к.в. до фі = 30,13 п.к.в. при работе на ЭТЭ, увеличение составляет 37,5 %.
При сравнении расчетных и экспериментальных данных работы дизеля 44 11,0/12,5 на ДТ можно сделать следующие выводы. Разница значений между экспериментальными и расчетными данными ПЗВ при частоте п= 1200 мин"1 составляет 1,6%; при п= 1400 мин"1 составляет 0,7 %; при п= 1600 мин"1 составляет 1,1%; при п= 1800 мин" составляет 1,1%; при п = 2000 мин"1 составляет 2,2%; при п = 2200 мин"1 составляет 1,3%; при п = 2400 мин"1 составляет 3,1%. Максимальное значение погрешности при экспериментальном и расчетном методе составляет 1,7 %.
При сравнении расчетных и экспериментальных данных работы дизеля 44 11,0/12,5 на ЭТЭ можно сделать следующие выводы. Разница значений между экспериментальными и расчетными данными ПЗВ при частоте п= 1200 мин"1 составляет 1,5%; при п= 1400 мин"1 составляет 2,4 %; при п= 1600 мин"1 составляет 3,3%; при п= 1800 мин"1 составляет 2,6%; при п = 2000 мин" составляет 2,8 %; при п = 2200 мин"1 составляет 4,7 %; при п = 2400 мин"1 составляет 3,9%. Максимальное значение погрешности при экспериментальном и расчетном методе составляет 4,7 %.
На основании сравнения экспериментальных и расчетных данных определения ПЗВ можно сделать вывод о пригодности применения данной методики расчета для дизеля работающего на ДТ и ЭТЭ. В данном случае погрешность не превышает 5 %.
Влияние применения этаноло-топливных эмульсий на индикаторные показатели и характеристики тепловыделения дизеля 44 11,0/12,5 в зависимости от угла поворота коленчатого вала
При исследовании влияния применения ЭТЭ на показатели рабочего процесса дизеля 44 11,0/12,5 было проведено индицирование на оптимальных установочных УОВТ при работе на ДТ и ЭТЭ (0ш,рдт, этэ = 23). Были выявлены закономерности изменения давления газов в цилиндре в зависимости от угла поворота коленчатого вала. Эксперимент проводился на двух частотах вращения: п = 2200 мин"1 - номинальный режим; п = 1700 мин"1 - частота соответствующая максимальному крутящему моменту.
На рисунке 4.17, а приведены совмещенные индикаторные диаграммы дизеля 44 11,0/12,5 при работе на ДТ и на ЭТЭ при номинальной частоте вращения п = 2200 мин"1 и установленным среднем эффективном давлении ре = 0,64 МПа. На данном рисунке рассмотрены индикаторные диаграммы на оптимальных установочных УОВТ, которые для дизеля работающего на ДТ установлены заводом изготовителем и составляет 0шір дт = 23, для дизеля работающего на ЭТЭ был принят 0Ш1рэтэ = 230. Результаты индицирования показывают некоторое увеличение давления сгорания pzmax. Так, при работе на ДТ значение р2тахдт = 8,4 МПа, а при работе дизеля на ЭТЭ значение возрастает до р2шахэтэ = 8,9 МПа, т.е. увеличение составляет 0,5 МПа, или 6,0%. Точка начала видимого сгорания при работе на ДТ при значении угла федт = 1 п.к.в., располагается до ВМТ на индикаторной диаграмме, а при работе на ЭТЭ при феэтэ = 5,0 п.к.в. после ВМТ. Таким образом, с учетом установочного УОВТ, ПЗВ при работе на ДТ составляет ф; дт = 22,0, а при работе на ЭТЭ - ф І этэ = 28,0. Следует отметить, что процесс сгорания при работе дизеля на ЭТЭ несколько сдвигается вправо от ВМТ.
Таким образом закономерности изменения давления газов в цилиндре дизеля 44 11,0/12,5 при работе на ЭТЭ сохраняются. При увеличении установочного угла происходит увеличение pzmax На рисунке 4.17, б изображены совмещенные индикаторные диаграммы снятые на частоте вращения п = 1700 мин"1 и рс = 0,69 МПа. При анализе данных диаграмм можно сделать вывод о сохранении закономерностей наблюдаемых при номинальной частоте вращения. Значение pzmax при переходе дизеля на работу на ЭТЭ повышается. При работе дизеля на ДТ pzmaxдт = 8,7 МПа, а при работе дизеля на ЭТЭ р/тахэтэ = 9,2 МПа, при этом увеличение составляет 0,5 МПа или 5,7 %. Точка начала видимого сгорания лежит на линии сжатия индикаторной диаграммы угол фсДТ = 5,5 п.к.в. до ВМТ, а при работе на ЭТЭ при фсэтэ = 2,4 п.к.в. после ВМТ. На основании вышеизложенного ПЗВ при работе на ДТ составляет ф І ДТ = 17,5, а при работе на ЭТЭ - ф І этэ = 25,4.
Таким образом, при переходе дизеля на работу на ЭТЭ наблюдается некоторое увеличение значений pzrailx,a также увеличение ПЗВ, что приводит к увеличению времени нахождения топлива в камере сгорания до момента воспламенения, увеличению активных радикалов и очагов воспламенения. Это способствует увеличению скорости нарастания давления, а, следовательно, и увеличению жесткости работы дизеля.
На рисунке 4.18, а представлены характеристики тепловыделения и осредненная температура газов в цилиндре дизеля 44 11,0/12,5, которые были получены в результате обработки индикаторных диаграмм.
Эти данные были получены при частоте вращения п = 2200 мин" и ре = 0,64 МПа, максимальная осредненная температура цикла Ттах при работе дизеля на ДТ составляет 2115 К и наблюдается при угле фттах = 7,0 п.к.в. после ВМТ. При работе дизеля на ЭТЭ значение Ттах = 2511 К достигается при угле фттах= 11,5 п.к.в. после ВМТ. Увеличение максимальной осредненной температуры составляет 396 К, или 15,8 %.
Анализируя графики тепловыделения, можно сделать вывод, что при переходе дизеля на работу на ЭТЭ характерно увеличение скорости тепловыделения d%/cUp и сдвиг максимума скорости вправо от ВМТ. При работе на ДТ максимальное значение скорости тепловыделения (d%/ckp)max = 0,097 и наблюдается при угле ф = 2,0 п.к.в. после ВМТ, а при работе дизеля на ЭТЭ значение (dx/d(p)m(,x = 0,161 и достигается при угле ф = 7,0 п.к.в. после ВМТ. Значение (dx/d(p)max повышается на 0,064, или на 39,8 %. Следует отметить, что при работе дизеля, как на ДТ, так и на ЭТЭ, на кривой скорости тепловыделения d%/d p наблюдается появление второго пика, вызванного дополнительной турбулизацией рабочего заряда в цилиндре дизеля, в момент перемещения поршня от ВМТ к НМТ. В этот момент между поршнем и головкой цилиндров двигателя образуется зазор, в который засасывается рабочий заряд из КС, находящейся в поршне. При работе дизеля на ДТ второй максимум скорости тепловыделения (dx,Akp)max2 - 0,034 и наблюдается при угле Ф = 14,5 п.к.в. после ВМТ, а при работе на ЭТЭ значение (dx p)maX2 = 0,018 и достигается при угле ф = 23,5 п.к.в. после ВМТ.
При анализе графиков относительного выделения теплоты % и активного тепловыделения %, можно сделать следующие выводы, что при работе дизеля на ЭТЭ наблюдается более активное тепловыделение в фазе быстрого и основного горения, с большей скоростью тепловыделения. Основная часть топлива сгорает при постоянном объеме. Это приводит к повышению «жесткости» процесса сгорания, росту максимального давления сгорания и максимальной осредненной температуры газов в цилиндре дизеля. Кривые % и & при работе дизеля на ЭТЭ быстрее достигают своего максимума, чем при работе на ДТ. Следовательно, тепловыделение при работе дизеля на ЭТЭ идет более быстро. Величина активного тепловыделения, соответствующая максимальному давлению сгорания Р7тах при работе дизеля на ДТ, составляет XiP7max= 0,60, а при работе на ЭТЭ %, ivmax = 0,68. Увеличение составляет 0,08, или 11,8%. Величина активного тепловыделения, соответствующая максимальной осредненной температуре сгорания Ттах при работе дизеля на ДТ, составляет 20ттах=О,7О, а при работе на ЭТЭ %ІТПШХ= 0,76. Возрастание составляет 0,06 или 7,9 %.
На рисунке 4.18, б представлены характеристики тепловыделения при работе дизеля 44 11,0/12,5 на частоте вращения п= 1700 мин"1 и при ре = 0,69 . Максимальная осредненная температура цикла Ттах при работе дизеля на ДТ на этом режиме работы составляет 2145 К и наблюдается при угле ф ттах = 3,0 п.к.в. после ВМТ. При работе дизеля на ЭТЭ значение максимальной осредненной температуры возрастает до Ттах = 2542 К достигается при угле ф ттах = 8,0 п.к.в. после ВМТ. Рост температуры Tmax составляет 397 К, или 18,5%.
Также наблюдается рост значений скорости тепловыделения d%/d(p и сдвиг максимального значения скорости вправо от ВМТ. При работе дизеля на ДТ максимум скорости тепловыделения составляет (dxAkp)max = 0,106 и наблюдается при угле ф = 2,5 п.к.в. до ВМТ, а при работе дизеля на ЭТЭ значение вырастает до (dx/d(p)max = 0,168 и достигается при угле ф = 4,5 п.к.в. после ВМТ. Значение (d%/dq )maK повышается на 0,062, что составляет 58,5 %. На кривой скорости тепловыделения d%/d(p наблюдается второй максимум. На кривой скорости наблюдается второй максимум, который при работе дизеля на ДТ составляет (d% p)max2 = 0,023 и наблюдается при угле ф = 9,0 п.к.в. после ВМТ, а при работе на ЭТЭ - (dxAkp)max2 = 0,018 и ф = 21,5 п.к.в. после ВМТ.
По относительному % и активному выделению теплоты ХІ можно сделать следующие выводы. Величина активного тепловыделения, соответствующая максимальному давлению сгорания Pzmax увеличивается от XiPzmax = 0,65 при работе дизеля на ДТ до XiPzmax = 0,71 при работе на ЭТЭ. Увеличение составляет 0,06 или 9,2 %. Величина активного тепловыделения, соответствующая максимальной осредненной температуре сгорания Ттах увеличивается от %\ Vzmax = 0,73 при работе дизеля на ДТ до Xii zmax 0,79 при работе на ЭТЭ. Увеличение составляет 0,06 или 8,2 %.
В результате перевода дизеля на работу на ЭТЭ происходит увеличение скорости тепловыделения, что объясняется преобладающим объемным механизмом воспламенения. Основная часть топлива сгорает при постоянном объеме, что приводит к повышению «жесткости» процесса сгорания, росту максимального давления сгорания и максимальной осредненной температуры газов в цилиндре дизеля.
Влияние применения этаноло-топливной эмульсии на эффективные показатели дизеля 44 11,0/12,5 в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала
Эффективные показатели дизеля 44 11,0/12,5 снятые при работе на ДТ и ЭТЭ на оптимальном установочном УОВТ в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала представлены на рисунке 4.23.
При анализе скоростных характеристик, соответствующих работе дизеля на ДТ на различных частотах вращения, выявляется ряд закономерностей. С увеличением частоты вращения коленчатого вала часовой расход топлива GJXV возрастает от 7,1 кг/ч при п = 1200 мин"1 до 14,4 кг/ч при п = 2400 мин" , следовательно увеличение составляет 6,9 кг/ч. С ростом частоты удельный эффективный расход топлива g j увеличивается неоднозначно. При минимальной частоте соответствующей п= 1200 мин"1 g x составляет geflT — 234 г/(кВт-ч), далее с возрастанием частоты до п = 1700 мин" происходит снижение до едг —227 г/(кВт-ч), что соответствует минимальному значению. При номинальной частоте соответствующей п = 2200 мин" едт увеличивается и составляет geflT = 240 г/(кВт-ч).
При дальнейшем увеличении частоты до п = 2400 мин"1 ge#r = 249 г/(кВт-ч). Значение эффективного КПД ге снижается от ге = 0,362 при п = 1200 мин" до ге = 0,340 при п= 1700 мин"1. Снижение составляет 0,022. При увеличении частоты до номинальной гс снижается до 0,340, а при увеличении частоты до п = 2400 мин"1 лс продолжает снижаться до значения 0,330. Часовой расход воздуха GB при n = 1200 мин" составляет 175 кг/ч и с увеличением частоты до п = 2400 мин"1 вырастает на 49 %. Коэффициент избытка воздуха а при малой частоте соответствующей п= 1200 мин"1 равен а= 1,72, а при максимальной частоте соответствующей п = 2400 мин"1 составляет а= 1,69. С увеличением частоты от п = 1200 мин"1 до п = 2400 мин"1 увеличивается температура отработавших газов от tr = 460 С до tr = 540 С. Увеличение составляет 70 С или на 17,4%. С увеличением частоты вращения от п= 1200 мин" до п= 1700 мин"1 происходит увеличение крутящего момента Мк от 241 до 260 Н-м. При дальнейшем увеличении частоты вращения коленчатого вала происходит снижение крутящего момента от 259 Н-м при п= 1800 мин" до 230 Н-м при п = 2400 мин"1. Снижение крутящего момента составляет 11,2 %.
При анализе скоростных характеристик, соответствующих работе дизеля на ЭТЭ на оптимальном установочном УОВТ 0ппрдт = 23 можно сделать вывод, что характер изменения эффективных показателей аналогичен дизельному процессу.
С увеличением частоты часовой расход топлива GOTO возрастает от 8,5 кг/ч при п= 1200 мин"1 до 17,6 кг/ч при п = 2400 мин"1, следовательно увеличение составляет 8,9 кг/ч или в 2,0 раза. Соответственно, с увеличением частоты растет часовой расход ДТ в составе ЭТЭ G;nIipiU). от 5,75 кг/ч при п = 1200 мин"1 до 11,75 кг/ч при п = 2400 мин"1. Рост составляет 6,0 кг/ч или в 2,1 раза. С ростом частоты возрастает удельный эффективный расход топлива ge3T3- Так, при частоте соответствующей п = 1200 мин"1 еэтэ составляет ёсэтэ = 279 г/(кВт-ч). При увеличении частоты до п = 2400 мин"1 ёеэтэ = 306 г/(кВт-ч). Наименьшее значение наблюдается при п= 1700 мин"1 которое равно gtijj3 = 270 г/(кВт-ч). Соответственно изменяется и удельный эффективный расход ДТ в составе ЭТЭ gc#rnpim.- Так, при увеличении частоты от п= 1700 мин"1 до максимального значения частоты п = 2400 мин"1 Бедтприв. варьируется от 188 г/(кВт-ч) до 206 г/(кВт-ч). Увеличение составляет 18г/(кВт-ч). Значение эффективного КПД rjc снижается от тс = 0,374 при п= 1400 мин"1 до тс = 0,343 при п = 2400 мин 1. Часовой расход воздуха GB при n= 1200 мин"1 составляет 174 кг/ч и с увеличением частоты до п = 2400 мин"1 возрастает до 346 кг/ч. Увеличение составляет 172 кг/ч. Коэффициент избытка воздуха а при малой частоте п= 1200 мин" составляет а = 1,7, а при максимальной частоте соответствующей п = 2400 мин" а = 1,6. Снижение составляет 0,1. С увеличением частоты от п= 1200 мин" до п = 2400 мин"1 увеличивается температура отработавших газов от tr = 445 С до tr = 520 С. Увеличение составляет 75 С или 17,6 %. С увеличением частоты вращения от п = 1200 мин" до п = 1700 мин" происходит увеличение крутящего момента Мк от 244 до 265 Н-м. При дальнейшем увеличении частоты вращения коленчатого вала происходит снижение крутящего момента от 265 Н-м при п = 1700 мин"1 до 229 Н-м при п = 2400 мин"1. Снижение крутящего момента составляет 13,6 %.
Сравнивая скоростные характеристики при работе дизеля 44 11,0/12,5 на ДТ и ЭТЭ на оптимальном установочном УОВТ можно выделить следующие особенности. Зависимости изменения основных эффективных показателей дизеля сохраняются. Величина Ne при п = 1200 мин"1 и работе на ДТ составляет 30,2 кВт, при работе на ЭТЭ увеличивается до N0 = 30,6 кВт. При частоте п = 2200 мин" значение эффективной мощности при работе на ДТ и ЭТЭ одинаково и составляет Nc = 55,8 кВт. При частоте п = 2400 мин"1 значения эффективной мощности также совпадают. Крутящий момент Мк в диапазоне частот вращения от п = 1200 мин"1 до п = 2200 мин" при работе дизеля на ЭТЭ выше, чем при работе на ДТ. При частоте вращения п = 1700 мин"1 и работе на ДТ Мк = 260 Н-м, а при работе на ЭТЭ Мк = 265 Н-м. Наблюдается рост на 2,0 %.При работе дизеля на ЭТЭ часовой расход топлива GOTO больше, чем GJXY при работе на ДТ. При п= 1200 мин"1 часовой расход топлива GT увеличивается с 7,1 кг/ч при работе дизеля на ДТ до 8,5 кг/ч при работе на ЭТЭ. При п = 2400 мин"1 GT увеличивается с 14,4 кг/ч до 17,6 кг/ч. Часовой расход ДТ в составе эмульсии GTOTIipilB. во всем диапазоне частоты вращения меньше, чем часовой расход топлива GTOT. при работе на ДТ. При п = 1200 мин" расход топлива GTOT = 7,1 кг/ч, а GTflTnpiIB. = 5,76 кг/ч. Происходит снижение расхода ДТ на 18,9%. При п = 2400 мин"1 G-гдт 14,4 кг/ч, а GT ДТ пріш.= 11,88 кг/ч. Происходит снижение расхода ДТ на 17,5%. При п= 1200 мин"1 удельный эффективный расход топлива gc увеличивается с 234 г/(кВт-ч) при работе на ДТ до 279 г/(кВт-ч) при работе на ЭТЭ. При п = 2400 мин"1 ge увеличивается с 249 г/(кВт-ч) до 306 г/(кВт-ч). Удельный эффективный расход ДТ в составе эмульсии geлт прив. во всем скоростном диапазоне меньше, чем удельный эффективный расход топлива gCAT при работе на ДТ. При частоте п= 1200 мин"1 удельный эффективный расход топлива gCflT = 234 г/(кВт-ч), a gejvrumi.= 188 г/(кВт-ч). Происходит снижение на 19,7%. При п = 2400 мин"1 gCOT = 249 г/(кВт-ч), a ge „piID. = 206 г/(кВт-ч). Происходит снижение на 17,3 %. При работе на ЭТЭ наблюдается снижение коэффициента избытка воздуха а от 2 % до 4 %. При п = 1200 мин" значение tr снижается с 460С при работе дизеля на ДТ до 445С при работе на ЭТЭ. При п = 2400 мин"1 значение tr снижается с 540С при работе дизеля на ДТ до 520С при работе на ЭТЭ. Значение эффективного кпд ге в диапазоне частот вращения от п = 1200 мин"1 до п = 2000 мин" при работе дизеля на ЭТЭ выше, чем при работе на ДТ. При частоте п= 1200 мин"1 и работе на ДТ ге = 0,362, а при работе на ЭТЭ Мс = 0,367. Наблюдается рост на 1,4 %. При п = 2000 мин"1 значение пс при работе на ДТ и ЭТЭ практически одинаково и составляет 0,364 и 0,366 соответственно. Эффективная мощность дизеля Nc при работе на ЭТЭ в диапазоне частот вращения от п= 1200 мин" до п = 2200 мин"1 выше, чем при работе на ДТ. Величина Nc при п = 1200 мин" и работе на ДТ составляет 30,2 кВт, при работе на ЭТЭ увеличивается до Ne = 30,6 кВт. При частоте п = 2200 мин"1 значение эффективной мощности при работе на ДТ и ЭТЭ одинаково и составляет Ne = 55,8 кВт. При частоте п = 2400 мин"1 значения эффективной мощности также совпадают. Крутящий момент Мк в диапазоне частот вращения от п = 1200 мин"1 до п = 2200 мин"1 при работе дизеля на ЭТЭ выше, чем при работе на ДТ. При частоте вращения п= 1700 мин"1 и работе на ДТ Мк = 260Н-м, а при работе на ЭТЭ Мк = 265Н-м.
Перевод дизеля на работу на ЭТЭ при снятии скоростной характеристики позволяет снизить удельный эффективный расход ДТ до 19,4 %, увеличить крутящий момент до 2 %.
