Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обоснование целесообразности использования биотоплив в транспортных дизелях 11
1.1. Тенденции развития мирового топливно-энергетического комплекса и типы биотоплив, используемых в транспортных дизелях 11
1.2. Спиртовые топлива и направления их использования в двигателях внутреннего сгорания 14
1.3. Показатели топливной экономичности и токсичности отработавших газов дизелей 24
1.4. Цель работы и задачи исследования 34
Глава 2. Расчетные исследования течения нефтяного и эмульгированного топлива в распылителях дизельных форсунок 37
2.1. Направления использования биотоплив в транспортных дизелях 37
2.2. Физико-химические свойства рапсового масла и этанола 39
2.3. Иследования вязкостных характеристик биотоплив 41
2.4. Обоснование целесообразности моделирования течения топлива в проточной части распылителя форсунки 64
2.5. Моделирование течения топлива в распылителях форсунок при использовании различных топлив 69
2.6. Основные результаты и выводы по второй главе 100
Глава 3. Экспериментальные исследования дизеля, работающего на эмульсиях рапсового масла и этанола 103
3.1. Методы решения проблем использования этанола в качестве Стр. моторного топлива для дизелей 103
3.2. Экспериментальные исследования дизеля, работающего на смесях рапсового масла и этанола 110
3.3. Основные результаты и выводы по третьей главе 119
Глава 4. Экспериментальные исследования дизеля, работающего на смесях нефтяного дизельного топлива и абсолютного этанола 121
4.1. Проблема получения стойких смесей нефтяных топлив и этанола 121
4.2. Экспериментальные исследования дизеля, работающего на нефтяном дизельном топливе и его смеси с абсолютным этанолом 123
4.3. Методика сравнительной оценки экологических качеств нефтяного дизельного топлива и смесевого биотоплива с добавкой этанола 133
4.4 Основные результаты и выводы по четвертой главе 141
Основные выводы и заключение 144
Список литературы
- Спиртовые топлива и направления их использования в двигателях внутреннего сгорания
- Физико-химические свойства рапсового масла и этанола
- Экспериментальные исследования дизеля, работающего на смесях рапсового масла и этанола
- Экспериментальные исследования дизеля, работающего на нефтяном дизельном топливе и его смеси с абсолютным этанолом
Введение к работе
Актуальность диссертационной работы обусловлена необходимостью улучшения показателей токсичности отработавших газов (ОГ) дизелей. Эффективным методом улучшения названных показателей является использование этанола в качестве кислородсодержащей добавки к дизельному топливу. Такая добавка этанола позволяет улучшить качество протекания процессов распыливания топлива, смесеобразования и сгорания и, тем самым снизить выбросы оксидов азота и сажи с ОГ. Вместе с тем, одной из основных проблем применения этанола в качестве кислородсодержащей добавки является его плохая смешиваемость с нефтяными и многими альтернативными топливами. Эта проблема может быть решена путем использования абсолютного (безводного) этанола. Другое направление применения этанола в качестве кислородсодержащей добавки - использование эмульсий этанола с различными топливами. При этом возникают эффекты, способствующие улучшению качества процессов распыливания топлива, смесеобразования и сгорания. В первую очередь - это турбулизация потока топлива в распылителях форсунок за счет образования паровой фазы и струй распыливаемого эмульгированного топлива за счет быстрого выкипания этанола из топлива. В результате удается заметно снизить выбросы основных токсичных компонентов ОГ дизелей - оксидов азота и сажи. При анализе проблем использования этанола в качестве кислородсодержащей присадки необходимо проведение комплекса расчетно-экспериментальных исследований, направленных на исследование названных эффектов и на исследование параметров дизеля, работающих на смесевых и эмульгированных топливах с добавкой этанола. Результаты этих исследований будут способствовать достижению требуемых показателей токсичности ОГ современных транспортных дизелей.
Цель работы: разработка методов повышения эффективности работы дизеля при использовании этанола в качестве экологической добавки к дизельному топливу.
Методы исследований. Поставленная в работе цель достигается сочетанием теоретических и экспериментальных методов. С помощью теоретических методов проведены расчетные исследования вязкости смесевых биотоплив и параметров потока различных топлив в проточной части распылителей форсунок, а также оценка экологических показателей смеси нефтяного дизельного топлива и этанола. Экспериментальная часть работы заключалась в определении показателей дизеля, работающего на смесевых биотопливах с добавкой этанола.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- разработана методика расчета вязкости биотоплив на основе растительных
масел и эмульгированного биотоплива;
разработана методика расчета показателей потока эмульгированного биотоплива в проточной части распылителей дизельных форсунок;
разработана методика сравнительной оценки экологических качеств нефтяного дизельного топлива и смесевого биотоплива с добавкой этанола.
Достоверность и обоснованность научных положений определяются:
использованием современных методик расчета показателей потока топлива в проточной части распылителей форсунок;
использованием современных методик сравнительной оценки экологических качеств различных топлив;
- совпадением результатов расчетных и экспериментальных исследований,
полученных при испытаниях на развернутом двигателе.
Практическая ценность состоит в том, что:
разработанная методика расчета вязкости эмульгированного биотоплива и проведенные по этой методике расчеты позволили оценить вязкость эмульсии рапсового масла и этанола;
разработанная методика расчета показателей потока топлива в проточной части распылителей дизельных форсунок и проведенные расчетные исследования позволили оценить влияние свойств эмульсии рапсового масла и этанола на параметры процесса топливоподачи;
проведенные экспериментальные исследования дизеля, работающего на эмульсиях рапсового масла и этанола, подтвердили эффективность их использования для улучшения показателей токсичности отработавших газов дизеля;
проведенные экспериментальные исследования дизеля, работающего на смеси нефтяного дизельного топлива с добавкой абсолютного этанола, подтвердили эффективность ее использования в отечественных дизелях;
- разработанная методика сравнительной оценки экологических качеств
нефтяного дизельного топлива и смесевого биотоплива с добавкой этанола и
проведенные оптимизационные расчеты показали возможность использования
этой методики при разработке практических рекомендаций по выбору
оптимальной добавки этанола.
Реализация результатов работы. Работа проводилась в соответствии с планами госбюджетных и хоздоговорных работ кафедр поршневых двигателей и теплофизики МГТУ им. Н.Э. Баумана, а также лаборатории «Автоматика» НИИЭМ МГТУ им. Н.Э. Баумана. Результаты исследований внедрены в ООО «ППП «Дизельавтоматика», г. Саратов и в ЗАО «Форант-Сервис» (г. Ногинск).
Апробация работы:
Основные положения и результаты диссертации обсуждались:
на заседании кафедры поршневых двигателей МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2017 г.);
на международной научно-технической конференции «6-е Луканинские чтения. Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе» в ГТУ «МАДИ» (Москва, 2013 г.);
на международной научно-технической конференции «Двигатель-2017», посвященной 110-летию кафедры поршневых двигателей МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2017 г.);
на заседаниях Всероссийской научно-технической конференции (ВНТК) им. проф. В.И. Крутова по автоматическому управлению и регулированию
теплоэнергетических установок при кафедре Теплофизики МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2014-2017 г.г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных статей - все в журналах, включенных в перечень ВАК рецензируемых ведущих научных журналов и изданий. Также по теме диссертации опубликовано 6 материалов по итогам конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и заключения, списка использованной литературы и приложения. Общий объем работы 171 страница, включая 146 страниц основного текста, содержащего 62 рисунка и 30 таблиц. Список литературы содержит 187 наименований на 20 страницах. Приложение на 8 страницах включает листинг программы аппроксимации экспериментальных данных по вязкости эмульсионной смеси и документы о внедрении результатов диссертационной работы.
Спиртовые топлива и направления их использования в двигателях внутреннего сгорания
Как отмечено выше, современное мировое производство этанола составляет 80 млн. тонн в год, из них 10 млн. тонн приходится на пищевой этанол, 20 млн. тонн – на этанол для химической промышленности и 50 млн. тонн – на топливный этанол. В то же время мировая потенциальная потребность в этом спирте достигает 2 млрд. тонн в год. Топливный этанол используется различным образом: около 26% его смешивают с бензином, около 3% применяется в качестве топлива для дизелей [13, 35]. В США для бензиновых двигателей используются, в основном, топливо E-85, содержащее 85 % этанола в смеси с автомобильным бензином. Цены на бензин и смесевое топливо E-85 приведены на Рис. 1.6 [86]. Следует отметить, что в странах ЕС на автозаправочных станциях (АЗС) отпускается смесевое топливо E-90 (смесь 90% этанола и 10% бензина). Данные по количеству АЗС, реализующих топливо Е90 в ряде европейских стран, приведены на Рис. 1.7 [86].
В некоторых странах уже действуют стандарты на биоэтанол. В соответствии с этими стандартами требования к выпускаемому этанолу в различных странах различаются, но эти отличия незначительны (Таблица 4) [13]. Только в США допустимым является содержание этанола 92,1% в смеси с водой и денатурирующими веществами. То есть, по сути, допускается применение азеотропной смеси, с регулированием содержания воды при помощи денатурирующих присадок. В других странах этанол для автотранспорта должен быть безводным, т.е. абсолютным спиртом.
Этанол используется в качестве топлив в двигателях с принудительным воспламенением. Следует, однако, отметить, что сжигание спиртовых топлив, причем с лучшей топливной экономичностью, возможно и в дизелях [13, 138, 140]. Из данных, приведенных на Рис. 1.8, следует, что дизели с неразделенными камерами сгорания (КС), работающие на этаноле, имеют термический КПД t на 20-35% выше, чем бензиновые двигатели [13, 76]. В то же время, этот спирт обладает рядом недостатков, которые препятствуют его широкому использованию в качестве топлив для дизелей. Это, в первую очередь, его плохая самовоспламеняемость (низкое цетановое число – ЦЧ). Таблица 4.
Требования к составу этанола в различных странах Параметры Бразилия Канада США Герман ия Украи на Польша Объемная концентрация этанола, %, не менее 99,3 98,7 92,1 99,8 99,3 99,6 Воды, %, не более - 0,1 % (масс.) 7,9 % (об.) - 0,02 % (об.) 0,4 % (об.) Концентрация альдегидов, в расчете на ацетальдегид, г/л безводного этанола, не более - - - 0,004 - 0,20
Объемная концентрация метанола, % об., не более - - 0,50 - - Концентрация кислот в пересчете на уксусную, г/л безводного этанола, не более 0,03 0,03 0,07 (об.) - - 0,03
Концентрация эфиров в пересчете на этилацетат, г/л безводного этанола, не более - - - 0,002 - 0,20
Сухой остаток, г/л безводного этанола, не более - - 0,05 - - 0,02 Содержание меди, мг/кг, не более 0,07 0,10 0,10 - - 0,10 Денатурирующие вещества, % (об.) 3,0 1 л бензина на 100 л этанола 1,96 -4,76 - - Рис. 1.8. Относительная термическая эффективность использования нефтяных топлив и простейших спиртов в бензиновых и дизельных двигателях: относительный термический КПД (за единицу принят термический КПД бензинового двигателя со степенью сжатия =8) При организации процесса сгорания простейших спиртов в цилиндрах дизеля возникает проблема их воспламенения, поскольку эти спиртовые топлива имеют низкие цетановые числа (Рис. 1.9) [13, 76]. При этом используются различные методы улучшения воспламенения низкоцетановых спиртов. Для улучшения воспламеняемости этанола в дизелях используются увеличение степени сжатия, повышение давления наддува, установка подогревателей воздуха на впуске, теплоизоляция деталей КС и др. При этом, наиболее распространенными способами воспламенения является воспламенение этанола от запальной дозы нефтяного дизельного топлива (ДТ), от свечи зажигания и с использованием присадок к топливу.
Применимость топлив с разными цетановыми числами: 1 – нормальная работа дизеля; 2 – работа возможна, но с пониженной топливной экономичностью, повышенной шумностью, с затрудненным холодным пуском; 3 – работа возможна только с присадками к топливу и со средствами, облегчающими самовоспламенение и сгорание топлива
Возможные способы подачи спиртового топлива в КС дизелей представлены на Рис. 1.10 [13, 76]. Подача этанола и метанола в дизель возможна несколькими способами: они могут впрыскиваться в чистом виде или в смеси с дизельным топливом в непосредственно цилиндры, подаваться во впускной трубопровод в жидкой фазе или в виде пара. Непосредственное впрыскивание спирта в КС может осуществляться с помощью штатного топливного насоса высокого давления (ТНВД) дизеля. Используется также непосредственная подача спирта в КС в виде эмульсии с дизельным топливом. Эффективными являются системы с раздельным впрыскиванием спирта и запальной дозы ДТ в цилиндры дизеля. Кроме представленных на Рис. 1.10 способов использования метанола и этанола в дизелях, возможно разложение их с получением синтез-газ (смеси монооксида углерода СО и водорода Н) и последующей его подачей в цилиндры двигателя или использование спиртов в качестве энергоносителя для топливных элементов [5, 13].
Таким образом, использование для питания дизелей этанола наиболее целесообразно в виде экологической добавки к нефтяному дизельному топливу. При этом возможно два пути его применения – либо в виде эмульсии нефтяного ДТ и обычного (водосодержащего) этилового спирта (т.е. азеотропной смеси этанола и воды), либо в виде смеси ДТ и абсолютного (безводного) спирта. Реализация этих двух направлений использования этанола существенно улучшает экологические показатели дизеля. Это обусловлено следующими факторами. Во-первых, как отмечено выше, наличие в молекулах этанола атомов кислорода способствует снижению вредных выбросов с отработавшими газами двигателей внутреннего сгорания. Во-вторых, высокая теплота испарения этанола (870 кДж/кг у этанола против 230-250 кДж/кг у нефтяного ДТ) приводит к снижению максимальных температур сгорания, и, как следствие, к снижению выбросов оксидов азота. Еще одним фактором улучшения показателей токсичности ОГ дизелей является повышение качества процесса смесеобразования за счет низкой температуры кипения этанола (78,4 оС у этанола против 160-360 оС у нефтяного ДТ), что приводит к быстрому испарению этанола из смесевого топлива и дополнительной турбулизации нефтяного ДТ за счет такого испарения. Этот эффект, отмеченный для широкого спектра эмульгированных топлив [57, 66, 67, 84, 97, 107, 121], способствует и улучшению показателей топливной экономичности дизеля. В связи с этим, необходимо рассмотреть показатели, характеризующие топливную экономичность и токсичность ОГ дизелей.
Физико-химические свойства рапсового масла и этанола
Перспективными биотопливами считаются топлива, производимые из растительных масел [6, 167, 178]. Это обусловлено возобновляемой сырьевой базой для производства этих топлив, их хорошими экологическими качествами, возможностью подачи этих топлив в камеру сгорания дизеля его штатной системой топливоподачи, их приемлемой воспламеняемостью в дизельной КС [17, 37, 47]. Для условий европейской части России наибольшее распространение среди масличных культур, используемых для выработки биотоплив, получил рапс [13, 104]. Рапсовое масло (РМ) хорошо смешивается с традиционным дизельным топливом, что позволяет использовать его в качестве экологичной биодобавки к нефтяному ДТ. Другими направлениями использования рапсового масла в транспортных дизелях являются получение из него метилового или этилового эфиров и их использование либо в качестве самостоятельного топлива, либо в качестве биодобавки к нефтяному ДТ. Возможно также смешивание растительных масел с другими альтернативными топливами, в частности с биоэтанолом.
Следует отметить, что этанол может быть использован либо в качестве самостоятельного топлива для двигателей с принудительным воспламенением рабочей смеси или как кислородсодержащая присадка к автомобильным бензинам. Последнее направление широко реализуется в США, Бразилии и ряде других стран, где имеются сырьевая база для производства дешевого этанола [6, 13, 40, 157]. Но сжигание спиртовых топлив в дизелях более экономично, что обусловлено высокой эффективностью дизельного цикла [38, 49, 179]. Однако применение этанола в качестве топлива для дизелей затруднено из-за отличий его физико-химических свойств от свойств нефтяных моторных топлив. В связи с этим, использование этанола в качестве основного топлива может привести к неполадкам в работе дизеля. Вместе с тем, этанол может использоваться как биодобавка к нефтяным или альтернативным топливам. Применение таких добавок к топливам, получаемым из растительных масел, в частности к рапсовому маслу, для решения экологических проблем еще мало изучено. Следует отметить невысокое качество процесса топливоподачи при использовании в качестве топлива рапсового масла. Качество этого процесса можно улучшить при добавке в РМ этанола. Поэтому определенный интерес представляют исследования работы дизелей на смесях РМ и этанола. В связи с указанными выше проблемами, возникающими при использовании этанола в качестве дизельного моторного топлива, и возможностью использования для этих целей смесей рапсового масла и этанола рассмотрим их физико-химические свойства.
По своим физико-химическим свойствам этанол ближе к автомобильным бензинам, а не к дизельным топливам. Различия в физико-химических свойствах нефтяного дизельного топлива и этилового спирта весьма существенные (Таблица 6). Основные проблемы при использовании ЭС в качестве дизельного моторного топлива вызывают низкие вязкость и плотность этанола (соответственно 1,0 мм2/с и 790 кг/м3 при 20 оС), а также низкое цетановое число, которое составляет около 8 единиц. Такое цетановое число свидетельствует о плохой воспламеняемости спирта в КС дизеля, которая не позволяет обеспечить стабильную работу дизеля на нефорсированных режимах, а на форсированных режимах влечет за собой жесткое сгорание топлива. По Таблице 6 следует отметить также различия в химическом составе нефтяного ДТ и этанола, низшей теплотворной способности и стехиометрическому соотношению (соотношение воздух/топливо) этанола и дизельного топлива (ДТ) [13]. При этом значительное содержание атомов кислорода в молекулах ЭС (34,7%) обусловлавливает низкую теплоту сгорания этанола (соответственно 42,5 МДж/кг у ДТ и 27,5 МДж/кг у ЭС, см. Таблицу 6). В тоже время, большое содержание кислорода в молекуле этанола значительно улучшает экологические качества ЭС по сравнению с нефтяным ДТ. Рапсовое масло также содержит значительное количество атомов кислорода – около 11 % (против 0,4 % у нефтяного ДТ).
Таким образом, определенный интерес представляет совместное использование двух кислородсодержащих биотоплив – рапсового масла и этанола. Первое из этих топлив отличается более тяжелым фракционным составом, второе, напротив, имеет низкую температуру кипения. Вместе с тем, эти два биотоплива плохо смешиваются, поэтому их применение в качестве моторного топлива возможно лишь в виде эмульсий РМ и ЭС.
При анализе работы дизеля на эмульсиях рапсового масла и этилового спирта, в первую очередь – работы его топливоподающей аппаратуры, необходимо иметь данные о физико-химических свойствах этих смесей. Важным аспектом практического использования рассматриваемых биотоплив являются особенности физических свойств этих биотоплив – их плотности и вязкости. Плотность топлива является его энергетическим показателем. Чем выше плотность топлива, тем больше энергии выделяется в процессе его сгорания. Кроме того, плотность топлива предопределяет дальнобойность топливных струй, распространяющихся в камере сгорания дизеля. Одним из основных эксплуатационных свойств моторных топлив является вязкость. Под вязкостью понимают способность частиц (молекул) топлива противостоять взаимному перемещению относительно друг друга под действием приложенных внешних сил. Этот параметр важен для процессов нагнетания топлива и его последующего впрыскивания. Вязкость и плотность определяют процессы испарения и смесеобразования в дизеле. Низкая плотность и вязкость обеспечивают лучшее распыливание топлива, что улучшает сгорание. С повышением плотности и вязкости увеличивается диаметр капель, ухудшается полное их сгорание, увеличивается удельный расход топлива, растет дымность продуктов сгорания. Вязкость влияет также на смазывающие характеристики топлива. Слишком низкая вязкость топлива ведет к повышенному износу плунжерных пар форсунок, слишком высокая же вязкость ухудшает фильтрацию топлива и затрудняет работу топливных насосов. Вязкость дизельного топлива должна находиться в пределах от 1,8 до 7,0 мм/с. В этом случае износ плунжеров топливной аппаратуры современных быстроходных дизелей находится в приемлемых пределах. Таким образом, актуальными являются исследования вязкости и вязкостно-температурных характеристик различных биотоплив.
Экспериментальные исследования дизеля, работающего на смесях рапсового масла и этанола
На завершающем этапе исследований вязкостных характеристик эмульгированных топлив рассмотрены эмульсии рапсового масла и этанола. Свойства этих компонентов приведены в Таблице 1 и работах [6, 13, 47, 127]. Следует отметить плохую растворимость этилового спирта в рапсовом масле. При температуре, равной t=25 оС, растворимость этанола в РМ не превышает 5%, а при t=80 оС достигает лишь 35% (Рис. 2.7) [29]. Таким образом, при нормальной температуре (t=20 оС) и содержании этилового спирта в смеси с рапсовым маслом, превышающем 5%, эти два компонента могут находиться в смеси лишь в эмульгированном состоянии. Поскольку плотность и вязкость этилового спирта существенно ниже, чем у рапсового масла (см. Таблицу 6), с ростом содержания ЭС в смесях с РМ плотность и вязкость этих смесей снижается. Это подстверждается экспериментальными данными Рис. 2.8, приведенными в работе [29].
Эмульгированных топлив производят с помощью эмульгирующих устройств (диспергаторов) различных типов [58, 65, 131]. В настоящей работе для получения эмульсий РМ и ЭС использовано эмульгирующее устройство, работа которого основана на электромагнитном вибрационном перемешивании компонентов (Рис. 2.9) [78, 98, 123]. Оно включает основание 1 в виде массивной плиты, на которой закреплены четыре направляющие стойки 2, выполненные в виде прутков, имеющих резьбу по всей длине. Реактор 3 выполнен в виде цилиндрической емкости с верхней 4 и нижней 5 крышками. Каждая из крышек снабжена патрубком 6, предназначенным для впуска и выпуска компонентов. Нижняя крышка 5 имеет фланец, выходящий за габарит реактора 3, с четырьмя отверстиями для стоек 2. Фиксация реактора 3 осуществляется с помощью гаек 7. В реакторе 3 установлен ряд чередующихся неподвижных 8 и подвижных 9 дисков. Последние посредством штока 10 связаны с якорем 11 электромагнитного двигателя, статор 12 которого через фланец 13 связан со стойками 2 с помощью гаек 14. Между якорем 11 и реактором 3 на стойках 2 смонтированы три параллельных диска: внешние – 15 и внутренний – 16. Внешние диски фиксируются на стойках 2 с помощью гаек 17, а внутренний диск закреплен на штоке 10 на равном расстоянии от внешних дисков. В промежутках между дисками установлены пружины 18. В совокупности они образуют упругую систему.
Схема эмульгирующего устройства: основание (1); направляющие стойки (2); реактор (3); верхняя крышка (4); нижняя крышка (5); патрубок (6); гайки (7, 14, 17); неподвижные диски (8); подвижные диски (9); шток (10); якорь электромагнитного двигателя (11); статор электромагнитного двигателя (12); фланец (13); внешние диски (15); внутренний диск (16); пружины (18) Эмульгирующее устройство работает следующим образом. Через верхний патрубок 6 (Рис. 2.9) в реактор вводятся смешиваемые компоненты – рапсовое масло и этанол. При поступлении их в реактор включают электромагнитный двигатель, якорь 11 которого совершает колебательные движения с заданной частотой и амплитудой. Они, в конечном итоге, и определяют свойства получаемой эмульсии. Колебательные движения якоря 11 через шток 10 передаются на подвижные диски 9, которые перемещаются между неподвижными дисками 8, изменяя объем пространства между дисками. Это вызывает попеременное растяжение и сжатие сред, находящихся между дисками, их турбулизацию и возбуждение в средах кавитационных пузырьков. Все это способствует тщательному перемешиванию РМ и ЭС. Для снижения энергоемкости процесса перемешивания расчетным или экспериментальным методами определяется частота собственных колебаний подвижной части устройства путем изменения затяжки пружин 18 упругой системы. За счет перемещения внешних дисков 15 относительно внутреннего диска 16 осуществляется корректировка собственной частоты подвижной части устройства, приближая ее к фиксированной частоте вынуждающей силы, развиваемой якорем 11 и добиваясь резонансного режима работы устройства. Размещение устройства на направляющих стойках с возможностью перемещения его основных узлов значительно облегчает сборку устройства и осуществление различных регулировок, например, установку расстояния между подвижными и неподвижными дисками в реакторе, регулирование магнитного зазора между якорем и статором электромагнитного двигателя и др.
Для получения стойких эмульсий этих компонентов применен эмульгатор – алкенилсукцинимид мочевины (СИМ), производимый по ТУ 38.1011039-85. Он представляет собой вязкую, прозрачную, растворимую в углеводородах жидкость светло-коричневого цвета. Содержание эмульгатора в эмульгированных топливах не превышало 0,5 % (масс.). Полученные эмульсии были достаточно стабильны: расслоение эмульсии на две фракции происходило лишь после нескольких недель хранения, но первоначальные вид и свойства эмульсии восстанавливались путем ее простого взбалтывания.
Для определения вязкости исследуемых эмульсий использован ротационный вискозиметр испанской фирмы Fungilab. Исследована кинематическая вязкость двухкомпонентной эмульсии рапсового масла (РМ) и этилового спирта (ЭС) с объемным содержанием этанола 10 и 30% при температуре 20 оС. В Таблице 17 приведены исходные данные по кинематической вязкости для среднедисперсной эмульсии на основе рапсового масла с диаметром капель этанола 50 мкм.
Экспериментальные исследования дизеля, работающего на нефтяном дизельном топливе и его смеси с абсолютным этанолом
При использовании этанола в качестве моторного топлива для дизелей возникает ряд проблем, обусловленных, в основном, существенными различиями физико-химических свойств нефтяного дизельного топлива и этилового спирта (см. Главу 2). Среди этих проблем следует выделить проблемы подачи этанола в камеру сгорания дизеля, его воспламенения в камере сгорания, снижения ресурса деталей топливной аппаратуры дизеля, подающей спиртовое топливо в КС.
Как отмечено в первой главе, возможны различные способы подачи этанола в цилиндры дизеля: оно может впрыскиваться в чистом виде или в составе спирто-топливной смеси (эмульсии) непосредственно цилиндры, подаваться во впускной трубопровод в жидкой фазе или в виде пара [30, 68, 166, 175, 176]. При этом одновременная подача в камеру сгорания дизеля этанола и нефтяного ДТ позволяет решить проблему воспламенения низкоцетанового спиртового топлива – обеспечить его стабильное воспламенение и снизить период задержки воспламенения (ПЗВ) i.
В работе [152] представлены результаты исследований работы дизелей фирмы Mercedes-Benz (Германия) на биоэтаноле. Испытаны автомобильные дизели моделей OM 352 и OM355/50, работающие на этаноле с присадкой TE6DN, изготовленной бразильской фирмой Britanite und Explo на основе триэтиленгликольденитрата. Эта присадка улучшает самовоспламенение этанола до требуемого уровня при ее добавке 4,5 % (объемные доли). Результаты исследований свидетельствуют о том, что при работе указанных дизелей на этаноле с присадкой износы деталей одинаковы или даже ниже износов при работе на ДТ.
Другим направлением обеспечения воспламеняемости спиртовых топлив является их воспламенение от свечи зажигания [6, 143, 161, 166]. В работе [150] представлены результаты испытаний четырехцилиндрового тракторного дизеля фирмы Steyr размерности S/D=110/100, адаптированного для работы на биоэтаноле. На дизеле была установлена модернизированная головка цилиндров с размещенной в ней свечей зажигания. Кроме того, была изменена геометрическая форма КС в днище поршня, установлены новый ТНВД, форсунки и топливоподкачивающий насос повышенной производительности. Исследования показали, что дизель на этаноле работал практически бездымно. По сравнению с работой на ДТ выброс NOх снижался, что являлось результатом уменьшения температуры вследствие повышенной теплоты испарения этанола. При работе дизеля на этаноле выброс монооксида углерода СО оказался повышенным, но одинаковым с ДВС с искровым зажиганием. Выброс углеводородов СНх был относительно высоким, но он может быть радикально снижен при установке окислительного нейтрализатора. Объемный расход этанола оказался в два раза больше, чем расход нефтяного дизельного топлива, что являлось следствием более низкой теплоты сгорания этанола, а удельный приведенный расход этанола – лишь немного выше расхода нефтяного ДТ.
Проведено ряд исследований дизелей, работающих на многокомпонентных смесях, содержащих дизельное топливо, спирты, растительные масла и другие компоненты. В работах [13, 151] сообщается о результатах испытаний дизеля, работающего на микроэмульсионной смеси дизельного топлива, соевого масла и спирта, проведенных по программе EMA (Engine Manufacturers Association), предназначенной для исследования влияния альтернативных топлив на долговечность дизелей. Испытывалось два дизеля модели 4219D фирмы John Deere (США) с рабочим объемом iVh=3,6 л и степенью сжатия =16,3. Дизели имели систему турбонаддува и мощность Ne=41,8 кВт при n=2200 мин-1. Один из них работал на ДТ, а другой на экспериментальном микроэмульсионном топливе марки SNI-Shipp Nonionic, разработанном фирмой Shipp Implement Co. Топливо содержало 50 % (об.) ДТ, 25 % соевого масла, 20 % бутанола и 5 % этанола. Вязкость этого топлива составляла =4,03 мм2/с при 38 оС и ЦЧ=34,7. После наработки 200 часов параметры дизеля, работающего на ДТ, не изменились по сравнению с начальными, а в дизеле, работавшем на топливе SNI, значения Nе и ре снизились на 5 %. После 200 часов работы в нем обнаружены отложения нагара на распылителях форсунок и уменьшение диаметра сопловых каналов. По большинству показателей топливо SNI может быть использовано для исследуемого дизеля. Однако надежность его работы ограничена коксованием форсунок и ухудшением качества распыливания топлива, следствием которого является снижение Nе на 5 %. Результаты испытаний сопоставлены с данными испытаний дизеля аналогичного класса модели 4331 фирмы Allis-Chalmers, работавшего на смеси 75 % ДТ и 25 % растительного масла. После 200 часов работы этого дизеля отмечено значительно большее закоксовывание распылителей. Отмечено, что наличие спиртов в топливной смеси способствует очищению игл и каналов распылителя. Кроме того, из-за повышенной теплоты парообразования спиртов происходит дополнительное охлаждение КС.