Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований , 11
1.1. Перспективы применения метанола в дизелях 11
1.2. Анализ работ по применению метанола в дизелях 14
1.3. Влияние применения метанола с двойной системой топливоподачи на содержание токсичных компонентов в ОГ дизеля 18
1.4. Особенности химических реакций и горения в газофазных углеводородных пламенах 24
1.5. Образование оксидов азота при сгорании углеводородного топлива в цилиндре дизеля 35
1.5.1. Образование термических оксидов азота при горении углеводородных топлив 38
1.5.2. Образование оксидов азота из гемиоксида азота при горении углеводородных топлив 43
1.5.3. Образование быстрых оксидов азота в процессе горения углеводородных топлив 45
1.5.4. Образование топливных оксидов азота при горении углеводородных топлив 48
1.6. Задачи исследований 50
2. Теория образования оксидов азота в цилиндре дизеля при работе на метаноле с ДСТ 51
2.1. Химизм процесса образования оксидов азота в цилиндре дизеля 24 10,5/12,0 при работе на метаноле с ДСТ 51
2.2. Математическая модель расчета содержания оксидов азота в цилиндре дизеля 24 10,5/12,0 при работе на метаноле с ДСТ 58
2.3. Теоретические расчеты объемного содержания оксидов азота в цилиндре дизеля 24 10,5/12,0 при работе на метаноле с ДСТ 68
3. Программа и методика исследований по снижению содержания оксидов азота в ог дизеля 2410,5/12,0 при работе на метаноле с ДСТ 80
3.1. Объект исследований 80
3.2. Методика исследований дизеля 2410,5/12,0 по снижению содержания оксидов азота в ОГ при работе на метаноле с ДСТ. Особенности экспериментальной установки, приборов и оборудования 80
3.3. Расчет выбросов вредных газообразных веществ с ОГ дизеля 2410,5/12,0 при работе на метаноле с ДСТ 95
3.4. Обработка полученных результатов исследований. Ошибки измерений 96
4. Снижение содержания оксидов азота в отработавших газах дизеля 24 10,5/12,0 путем применения метанола с ДСТ 99
4.1. Влияние применения метанола на экономические, токсические показатели и показатели рабочего процесса дизеля 24 10,5/12,0 при работе с ДСТ в зависимости от изменения установочного УОВТ
4.1.1. Влияние применения метанола на экономические показатели дизеля 24 10,5/12,0 при работе с ДСТ в зависимости от изменения установочного УОВТ 99
4.1.2. Влияние применения метанола на индикаторные показатели и показатели процесса сгорания дизеля 24 10,5/12,0 при работе с ДСТ в зависимости от изменения установочного УОВТ 102
4.1.3. Влияние применения метанола на содержание оксидов азота в ОГ дизеля 24 10,5/12,0 при работе с ДСТ в зависимости от изменения установочного УОВТ 106
4.1.4. Влияние применения метанола на объемное содержание и массовую концентрацию оксидов азота в ОГ дизеля 24 10,5/12,0 при работе с ДСТ в зависимости от изменения установочного УОВТ 109
4.2. Влияние применения метанола на эффективные и токсические показатели дизеля 24 10,5/12,0 при работе с ДСТ в зависимости от изменения нагрузки и частоты вращения 115
4.3. Влияние применения метанола на показатели процесса сгорания, объемное содержание и массовую концентрацию оксидов азота в цилиндре дизеля 24 10,5/12,0 при работе с ДСТ в зависимости от угла поворота коленчатого вала 124
4.3.1. Влияние применения метанола на показатели процесса сгорания, объемное содержание и массовую концентрацию оксидов азота в цилиндре дизеля 24 10,5/12,0 при работе с ДСТ в зависимости от угла поворота коленчатого вала при номинальной частоте вращения 124
4.3.2. Влияние применения метанола на показатели процесса сгорания, объемное содержание и массовую концентрацию оксидов азота в цилиндре дизеля 24 10,5/12,0 при работе с ДСТ в зависимости от угла поворота коленчатого вала при частоте вращения максимального крутящего момента 132
4.4. Влияние применения метанола на объемное содержание и массовую концентрацию оксидов азота в ОГ, показатели процесса сгорания в цилиндре дизеля 24 10,5/12,0 при работе с ДСТ в зависимости от изменения нагрузки и частоты вращения 141
5. Технико-экономическая оценка эффективности использования метанола в дизеле 24 10,5/12,0 при работе с ДСТ 156
Выводы и рекомендации 163
Литература
- Влияние применения метанола с двойной системой топливоподачи на содержание токсичных компонентов в ОГ дизеля
- Математическая модель расчета содержания оксидов азота в цилиндре дизеля 24 10,5/12,0 при работе на метаноле с ДСТ
- Методика исследований дизеля 2410,5/12,0 по снижению содержания оксидов азота в ОГ при работе на метаноле с ДСТ. Особенности экспериментальной установки, приборов и оборудования
- Влияние применения метанола на индикаторные показатели и показатели процесса сгорания дизеля 24 10,5/12,0 при работе с ДСТ в зависимости от изменения установочного УОВТ
Введение к работе
Двигатели внутреннего сгорания, и в первую очередь дизели, останутся основной энергетической установкой для транспортных средств на долгие десятилетия как в России, так и за рубежом. В настоящее время в качестве основного моторного топлива для ДВС используются в основном продукты переработки нефти (бензин, дизельное топливо). Однако ограниченность запасов топлив нефтяного происхождения, колебание цен на нефть и нефтепродукты, особенно в 2007...2008 гг., а также сложившаяся неблагоприятная экологическая обстановка в стране и мире сделала актуальными работы, направленные на поиск и применение в ДВС альтернативных, возобновляемых видов топлив [1...3]. Среди них важное место занимает метиловый спирт (метанол), для производства которого в промышленных масштабах имеются сырьевые ресурсы (природный газ, уголь), в том числе возобновляемые (растительные остатки, бытовые отходы) [4, 5].
В соответствии с Концепцией развития отечественного автомобилестроения на период до 2010 г., одобренной Правительством РФ, приоритетными являются исследования, направленные на применение альтернативных видов топлив (природный газ, метанол), в т.ч. в серийно выпускаемых ДВС [1].
Наиболее эффективным способом применения метанола в ДВС в настоящее время является подача его непосредственно в цилиндр дизеля с использованием двойной системы топливоподачи, позволяющая замещать до 50...80 % нефтяного топлива [6... 10]. Воспламенение метанола при этом происходит за счет подачи запальной порции (пилотной) дизельного топлива (ДТ). Данный способ при некоторых изменениях и дополнениях в конструкцию дизеля может быть реализован на двигателях, уже находящихся в эксплуатации [9, 10].
Все это дает основание полагать, что изучение применения альтернативных топлив в дизелях, предназначенных для эксплуатации, в том числе в экологически экстремальных условиях, с целью снижения токсичности и
7 дымности их ОГ и экономии нефтяного моторного топлива, является весьма
актуальной научной задачей, имеющей важное народнохозяйственное значение и включенной Правительством РФ в перечень критических технологий федерального уровня.
При проведении исследований по улучшению экологических показателей дизелей необходимо уделять внимание снижению содержания в ОГ NOx, поскольку они являются наиболее токсичными компонентами среди всего спектра загрязняющих химических соединений, содержащихся в ОГ, так как образуются в процессе горения, как результат химических реакций атмосферных кислорода и азота.
Цель исследований. Снижение содержания оксидов азота в отработавших газах дизеля 24 10,5/12,0 с полусферической камерой сгорания в поршне при работе на метаноле с двойной системой топливоподачи и впрыскивании дизельного топлива (запального) через многоструйную форсунку, изучение его влияния на процессы образования и разложения оксидов азота, токсические, мощностные и экономические показатели, экономию нефтяного моторного топлива.
Объект исследований. Дизель 24 10,5/12,0 воздушного охлаждения с полусферической КС, работающий на альтернативном топливе (метаноле) с ДСТ и впрыскивании дизельного топлива (запального) через многоструйную форсунку.
Предмет исследования: экологические, мощностные и экономические показатели дизеля 24 10,5/12,0 воздушного охлаждения с полусферической камерой сгорания в поршне при работе на метаноле с двойной системой топливоподачи и впрыскивании дизельного топлива (запального) через многоструйную форсунку; процессы образования и разложения оксидов азота в цилиндре двигателя.
Научную новизну работы представляют:
- результаты лабораторно-стендовых и теоретических исследований влияния применения метанола с двойной системой топливоподачи на про-
8 цессы образования и разложения оксидов азота, токсические, мощностные и
экономические показатели дизеля 24 10,5/12,0 с полусферической КС в поршне и впрыскивании дизельного топлива (запального) через многоструйную форсунку;
- химизм процесса образования оксидов азота в цилиндре дизеля
24 10,5/12,0 при работе на метаноле с двойной системой топливоподачи и
впрыскивании дизельного топлива (запального) через многоструйную фор
сунку;
математическая модель расчета содержания оксидов азота в цилиндре и отработавших газах дизеля 24 10,5/12,0 при работе на метаноле с двойной системой топливоподачи;
результаты расчета показателей объемного содержания и массовой концентрации оксидов азота в ОГ и цилиндре дизеля 24 10,5/12,0 при работе на метаноле с двойной системой топливоподачи;
рекомендации по снижению содержания оксидов азота в ОГ дизеля 24 10,5/12,0 при работе на метаноле с двойной системой топливоподачи.
Практическая ценность работы и реализация результатов исследований. Материалы диссертации используются в учебном процессе Вятской и Нижегородской государственных сельскохозяйственных академий, 4ебок-сарском институте (филиале) Московского государственного открытого университета, Сыктывкарском лесном институте при чтении лекций, выполнении курсовых работ и дипломном проектировании для студентов, обучающихся по специальностям 110301, 190601 и 190603.
Экономическая эффективность от снижения ущерба, наносимого токсичными компонентами, выбрасываемыми в атмосферу с ОГ дизеля 24 10,5/12,0 при работе на метаноле составляет 52785,3 рубля на один двигатель в год (в ценах января 2008 года). Экономия за счет применения метанола как топлива составит 23735 руб./год при годовой наработке 500 мото-часов.
Связь с планами научных исследований. Диссертационная работа выполнена в соответствии с темой № 24 плана НИР ФГОУ ВПО Вятская
9 ГСХА (г. Киров) на 2006...2010 гг. (номер государственной регистрации
01.2.006-09891").
На защиту выносятся следующие положения и основные результаты исследований;
результаты лабораторно-стендовых и теоретических исследований влияния применения метанола с двойной системой топливоподачи на процессы образования и разложения оксидов азота, токсические, мощностные и экономические показатели дизеля 24 10,5/12,0 с полусферической камерой сгорания в поршне и впрыскивании дизельного топлива (запального) через многоструйную форсунку;
химизм процесса образования оксидов азота в цилиндре дизеля 24 10,5/12,0 при работе на метаноле с двойной системой топливоподачи и впрыскивании дизельного топлива (запального) через многоструйную форсунку;
математическая модель расчета содержания оксидов азота в цилиндре и отработавших газах дизеля 24 10,5/12,0 при работе на метаноле с двойной системой топливоподачи;
результаты расчета показателей объемного содержания и массовой концентрации оксидов азота в ОГ и цилиндре дизеля 24 10,5/12,0 при работе на метаноле с двойной системой топливоподачи;
рекомендации по снижению содержания оксидов азота в ОГ дизеля 24 10,5/12,0 при работе на метаноле с двойной системой топливоподачи.
Апробация работы. Основные результаты и материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на: ХП-ых, ХШ-ых, XIV-ых Тупо-левских чтениях: Международной молодежной научной конференции, 2004, 2005, 2007 гг. (Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева, г. Казань); IV Международной научно-практической конференции «Автомобиль и техносфера», 2005 г. (Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева, г. Казань); 5-ой, 6-ой, 7-ой и 8-ой городских научных конференции аспирантов и соискателей,
10 2005...2008гг. (ФГОУ ВПО Вятская ГСХА, г. Киров); Туполевских чтениях:
Международной молодежной научной конференции, посвященной памяти академика Туполева А.Н. и 75- летию КГТУ им. А.Н. Туполева, 2006 г. (Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева, г. Казань); Всероссийской научно-практической конференции «Роль науки в формировании специалиста», Региональной научно-практической конференции вузов Приволжского региона «Инновации в образовательном процессе», 2006 г. (Чебоксарский институт (филиал) МГОУ, г. Чебоксары); научно-практической конференции «Совершенствование технологий и средств механизации производства продукции растениеводства и животноводства», 2006 г. (Зональный НРШСХ Северо-Востока им. Н.В. Рудницкого, г.Киров); 17-ой Региональной научно-практической конференции кафедр «Тракторы и автомобили» вузов Поволжья и Предуралья «Повышение технико-экономических и экологических показателей двигателей, тракторов и автомобилей в сельскохозяйственном производстве», 2007 г. (ФГОУ ВПО Нижегородская ГСХА, г. Нижний Новгород); Всероссийских научно-практических конференциях «Наука - Технология - Ресурсосбережение», 2007, 2008 гг. (ФГОУ ВПО Вятская ГСХА, г. Киров); IX-ой и Х-ой Международных научно-практических конференциях (Мосоловские чтения) «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства», 2007, 2008 гг. (ГОУ ВПО «Марийский государственный университет», г. Йошкар-Ола); Международной научно - практической конференции «Проблемы энергообеспечения предприятий АПК и сельский территорий», 2008 г. (ФГОУ ВПО Санкт-Петербургский ГАУ, СПб. - Пушкин).
Публикации результатов исследований. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 44 печатных работах, включая монографию объемом 9,75 п.л., 2 статьи в журнале, входящем в перечень ВАК РФ и статьи общим объемом 11,75 п.л., в т.ч. в сборниках трудов Международных и Всероссийских конференций опубликовано 23 статьи. Без соавторов опубликовано 12 статей общим объемом 6,04 п.л.
Влияние применения метанола с двойной системой топливоподачи на содержание токсичных компонентов в ОГ дизеля
Имеются исследования по влиянию применения метанола с двойной системой топливоподачи на содержание токсичных компонентов в ОГ дизеля [4.. .8]. Изменение содержания токсичных компонентов в ОГ дизеля 24 10,5/12,0 в зависимости от частоты вращения коленчатого вала при работе на метаноле с ДСТ представлено на рис. 1.6 [4, 38]. Исследования, проведенные авторами, показали, что при работе на метаноле увеличение частоты вращения сопровождается увеличением количества токсичных компонентов в ОГ дизеля кроме оксидов азота, содержание которых при этом снижается.
Как видно из графиков, для дизеля, работающего на метаноле с ДСТ, характерно снижение содержания NOx в ОГ по отношению к серийному дизелю на всех исследуемых скоростных режимах. Так, если у серийного дизеля содержание оксидов азота в ОГ уменьшается с 4,8 мг/л при частоте вращения 1200 мин"1 до 2,4 мг/л при 2000 мин", то у дизеля, работающего на метаноле, содержание NOx соответственно снижается с 1,6 мг/л до 0,6 мг/л. В процентном отношении при п = 1200 мин"1 снижение составляет 66,6 %, а при n = 2000 мин"1 уже 75 %.
Изменение токсичности и дымности ОГ при работе дизеля на метаноле с ДСТ по сравнению с серийным дизелем в зависимости от нагрузки при частоте вращения 1800 мин"1 представлено нарис. 1.7, а [6, 38].
Как видно из графиков, при работе дизеля на метаноле с ДСТ содержание некоторых токсичных компонентов в ОГ заметно снижается. Так, при увеличении нагрузки содержание NOx в ОГ у серийного дизеля изменяется от 1,95 мг/л до 3,00 мг/л с максимальным значением 3,25 мг/л при ре = 0,585 МПа. При работе
дизеля на метаноле с ДСТ содержание NO х в ОГ изменяется при увеличении нагрузки от 0,3 мг/л до 0,7 мг/л с максимальным содержанием 1,00 мг/л при ре=0,585 МПа. На номинальном нагрузочном режиме содержание NOx в ОГ у дизеля, работающего на метаноле с ДСТ, снижается с 3,25 мг/л до 1,00 мг/л, или на 69%.
Такое резкое снижение содержания NOx в ОГ исследователи объясняют тем, что скорость тепловыделения и нарастания давления у дизеля, работающего на метаноле, значительно ниже, чем у серийного, что подтверждается уменьшением первого и увеличением второго пика динамики тепловыделения и, кроме того, смещением их вправо по углу поворота коленчатого вала. Эти факторы являются определяющими в образовании NOx при сгорании топливо-воздушной смеси в цилиндре. На частоте вращения 1400 мин"1 и работе дизеля на метаноле с ДСТ содержание токсичных компонентов в ОГ в зависимости от нагрузки изменяется аналогичным образом (рис. 1.7, б). Так, содержание оксидов азота при работе дизеля на ДТ при увеличении нагрузки изменяется от 2,1 мг/л до 4,4 мг/л с максимальным значением 4,8 мг/л при ре = 0,600 МПа. При работе дизеля на метаноле с ДСТ содержание NOx в ОГ при возрастании нагрузки изменяется от 0,4 мг/л до 1,1 мг/л с максимальным содержанием 1,5 мг/л при ре = 0,650 МПа.
При работе дизеля 24 10,5/12,0 с непосредственной подачей метанола в КС и воспламенением запальным ДТ возможно получение мощностных показателей на уровне серийного дизеля при использовании 10% ДТ (запального) и 90% метанола (основного), чем достигается экономия до 80 % ДТ путем замещения его метанолом, снижается содержание в ОГ оксидов азота на 66...75% и сажи на 40 % в условиях работы по скоростной характеристике. При этом снижается максимальное давление сгорания pzmax, «жесткость» процесса, сгорание топлива происходит более мягко, без резких повышений давления, сдвигаясь на индикаторной диаграмме на линию расширения, уменьшается максимальное значение осредненной температуры цикла и температуры ОГ.
Снижение содержания NOx в ОГ при номинальной нагрузке ре = 0,594 МПа составляет у дизеля, работающего на метаноле с ДСТ, 68 %. Таким образом общие закономерности сохраняются: с увеличением доли подачи метанола существенно снижается содержание NO в ОГ, а концентрация СН х резко увеличивается, особенно на больших нагрузках, где подача метанола достигает 80%. Сопоставление закономерности изменения индикаторного к.п.д., скорости нарастания давления и содержания токсичных компонентов в ОГ в зависимости от нагрузки и количества подаваемого метанола представлено на рис. 1.8. Содержание NO х и СН х дано в соотношении к содержанию NO х и СН х при дизельном процессе. Из графиков видно, что если содержание NO х при подаче метанола снижается от 10 до 100%, то содержание СНХ увеличивается по сравнению с дизельным процессом от 2...2,5 раз при больших нагрузках до 12 раз при малых и подаче метанола 80% независимо от способа его впрыскивания [4, 5, 32].
Математическая модель расчета содержания оксидов азота в цилиндре дизеля 24 10,5/12,0 при работе на метаноле с ДСТ
Разработанная математическая модель основывается на двухзонной модели и позволяет производить расчет давления и температур (свежей смеси и продуктов сгорания), индикаторных показателей цикла, а также текущей концентрации N0 по объему камеры сгорания в зависимости от изменения угла п.к.в. дизеля. С ее помощью можно оценить влияние на индикаторные показатели и выход NO таких параметров, как начало и продолжительность сгорания, потери теплоты от газа в стенки, степень сжатия и др.
В данной модели заряд цилиндра в процессе сгорания условно разделен на две зоны: зону несгоревшей смеси метанола и ДТ и зону продуктов сгорания. Принимаем, что метаноло-топливовоздушная смесь до и в ходе процесса сгорания является гомогенной. Зона продуктов сгорания в каждый момент цикла имеет однородный состав и температуру. Расчет процесса сгорания производится по заданному закону выгорания метанола и ДТ с учетом диссоциации продуктов сгорания. Равновесные концентрации отдельных продуктов сгорания, необходимые для учета диссоциации (СО и Н2) и образования NO (О2, Н2, О), определяются по аппроксимирующим полиномам.
Методика расчета процесса сгорания и образования заключается в следующем. Закон сгорания топлива задаем уравнением: х = 0,5 (1 - COS TC), (2.42) где фо, (pz, ф - угол начала сгорания, угол продолжительности видимого сгорания и текущее значение угла поворота коленчатого вала дизеля соответственно. Для расчета давления и температур используем систему из четырех уравнений [27, 140]: Q = AU+L; (2.43) p-V = 8,314-MT; (2.44) M цСр T = Мсм цс« Тсм + Мпс Пс; Тпс; (2.45) ТСМ=ТН( \ (2.46) Р„
Количество теплоты, сообщенное рабочему телу к данному моменту процесса сгорания, определяем по уравнению: Q = (QH-Ba-x-Qjiac)-v/, (2.47) где Вц- количество метанола в цилиндре дизеля за цикл; \\г- коэффициент потерь теплоты в результате теплообмена. Потери теплоты С2дИС учитывают выделившееся ее количество вследствие неполноты сгорания (при х 1) и диссоциации и находятся по содержанию Н2 и СО в продуктах сгорания, равновесные концентрации которых определяются по аппроксимирующим полиномам второй степени.
Температура Тн и давление Рн смеси в начале видимого сгорания могут быть найдены по уравнению политропы сжатия, а количество заряда в цилиндре к началу сгорания - из уравнения состояния при известных Тн, Рн и VH. Количество газа в цилиндре в процессе сгорания определяем из выражения: М = Мсм-[1 + х.(/?-1)]. (2.59) Теплоемкость заряда в процессе сгорания — по формуле: цСу - Т = (1 - х) ЦСГ Т ч + х цСп; Т с. (2.60) Внутреннюю энергию в процессе сгорания U находим аналогично UH, с использованием выражений для энтальпий остаточных газов Г и продуктов сгорания Н"с. Окончательное выражение для U имеет вид: U = M-(l-x) (г..іС;+гт.цСт Т + + т-Щ -8,314 +Мх-(НТПС-8,314-Т) (2.61) Значение Н" устанавливаем по аппроксимирующему уравнению в зависимости от Т, а, р. Работу, совершаемую газом к данному моменту цикла, определяем по уравнению: L = L, + 0,5 (pt + Ар) AV, (2.62) где рь р - давление газа в начале и в конце расчетного интервала; AV - изменение объема в течение рассматриваемого интервала, AV=V-Vb
Параметры газа pi, Vb Ті в начале каждого шага расчета известны. Давление в конце расчетного интервала р может быть определено по уравнению состояния. Тогда: L = L1+0,5-p]-AV + 4,15-MT- —. (2.63) Подстановка значений Q, UH, U и L , найденных по уравнениям (2.47, 2.58, 2.61, 2.63), в уравнение (2.43) позволяет привести его, после соответствующих преобразований, к квадратному уравнению относительно средней температуры газа в цилиндре дизеля, которая определяется затем обычным способом.
После вычисления значения Т можно определить текущее значение в цилиндре дизеля по уравнению (2.44) и температуру смеси по уравнению (2.46). Температуру в зоне продуктов сгорания Тпс получаем, используя исходное уравнение (2.45): с: Тпс = ъГ (м цСр"т " Мсм цС" TJ- (2,64) ПС
Заменив значение Тпс энтальпией продуктов сгорания Н", определяемой по аппроксимирующему полиному в функции от Т, а, р (для диапазона температур 1700...3300 К), получим:
Мпс Н- - М цСр Т + Мсм цСр" = 0. (2.65)
Подставив вместо Н"с аппроксимирующий полином второго порядка, после соответствующих преобразований получим квадратное уравнение относительно Тпс, которое решается обычным способом.
Индикаторные показатели цикла вычисляем, используя значение индикаторной работы цикла, равное: L =L +L -L , in cr n еж (2.66) где Lcr, Lp, LC5K - работы сгорания, расширения и сжатия соответственно. Для расчета процесса образования NO при сгорании используем значения температур в зоне продуктов сгорания и принимаем, что основной вклад в процесс образования оксидов азота дают следующие реакции [138, 139]:
Методика исследований дизеля 2410,5/12,0 по снижению содержания оксидов азота в ОГ при работе на метаноле с ДСТ. Особенности экспериментальной установки, приборов и оборудования
Структурная схема проведения исследований дизеля 24 10,5/12,0 по снижению содержания оксидов азота в ОГ при работе на метаноле с двойной системой топливоподачи представлена на рисунке 3.1. Стендовые испытания при этом проводятся в несколько этапов.
На первом этапе исследований предусматривается определение оптимальных регулировок, получение эффективных показателей, определение параметров рабочего процесса дизеля путем индицирования, определение характеристик тепловыделения, а также токсичности и дымности ОГ на различных скоростных и нагрузочных режимах при работе на ДТ.
До начала второго этапа необходимо выполнить исследования по оптимизации расположения (ориентации) сопловых отверстий распылителей форсунок для подачи ДТ и метанола в цилиндр дизеля с целью,минимизации подачи дизельного (запального) топлива, определения параметров распылителей (условное проходное сечение), диаметров сопловых отверстий, дальнобойности струй.
На втором этапе исследований предусматривается определение оптимальных регулировок, получение эффективных показателей, определение параметров рабочего процесса путем индицирования, определение характеристик тепловыделения, токсичности и дымности ОГ дизеля на различных скоростных и нагрузочных режимах при работе с подачей метанола непосредственно в КС через форсунку и воспламенением от запальной порции ДТ с помощью двойной системы топливоподачи. При этом исследуются и оптимизируются параметры процесса сгорания и характеристики тепловыделения. Проводится полный анализ параметров процесса сгорания и тепловыделения, показателей токсичности и дымности ОГ с определением концентрации компонентов для NOx, СНХ, СО, С02 и сажи.
Разработка модификации дизеля для работы на метаноле с ДСТ предусматривает в первую очередь сохранение мощностных и экономических показателей, присущих серийному дизелю.
При индицировании рабочего процесса дизеля при работе на метаноле с ДСТ необходимым условием является сохранение одинаковых с дизельным процессом значений ре. Это необходимо выполнять для каждого исследуемого скоростного и нагрузочного режимов. Это же условие выполняется и при снятии скоростных характеристик, т.е. на всех фиксируемых частотах вращения колен чатого вала поддерживается одинаковое значение ре при работе на ДТ и метаноле
с ДСТ. Величина ре определяется косвенным путем из показаний весового механизма нагрузочного устройства. Все характеристики снимаются при оптимальных значениях установочного УОВТ. Одновременно со снятием характеристик производится индицирование и газовый анализ ОГ, а также отбор проб для определения дымности ОГ.
Реализация способа использования метанола путем подачи его непосредственно в КС и воспламенением от запальной порции ДТ с помощью ДСТ предусматривает установку двух топливных систем, в том числе двух ТНВД и двух форсунок на каждый цилиндр. Общий вид дизеля 24 10,5/12,0, установленного на стенде с двумя ТНВД, представлен на рис. 3.2. При этом серийная топливная система используется для подачи метанола, а для подачи запального ДТ устанавливается дополнительная топливная система. ТНВД марки 2УТНМ крепится с помощью проставки на посадочное место маслоза-ливной горловины дизеля и приводится во вращение от специально изготовленной для базового насоса шлицевой втулки с удлиненными шлицами посредством соединительной муфты с внутренним зубчатым венцом. На фланце проставки для крепежных болтов пропилены пазы, благодаря чему корпус насоса можно проворачивать относительно проставки, меняя при этом значение установочного угла опережения впрыскивания ДТ, поскольку кулачковый вал насоса для подачи метанола остается неподвижным. Установочный угол опережения впрыскивания метанола на серийном насосе меняется как обычно, путем смещения шлицевого фланца относительно зубчатого колеса привода топливного насоса. Для впрыскивания в цилиндр метанола используются серийные многоструйные форсунки ФД-22. Вид на форсунки для подачи метанола (установленные вверху) и ДТ (установленные внизу) дизеля 24 10,5/12,0 представлен на рис. 3.3.
Влияние применения метанола на индикаторные показатели и показатели процесса сгорания дизеля 24 10,5/12,0 при работе с ДСТ в зависимости от изменения установочного УОВТ
На рисунке 4.3, а представлены графики влияния применения метанола в дизеле 24 10,5/12,0 при работе с ДСТ при различных установочных УОВТ на содержание оксидов азота в ОГ при номинальной частоте вращения двигателя (п= 1800 мин" ), снятые при 0ДТ (26...42) и 0М (22...38). Если при оптимальных значениях установочных УОВТ (0ДТ = 34 и 0М = 34) содержание оксидов азота в ОГ дизеля составляет 340 ррт, то при большем значении 0М = 38 содержание оксидов азота в ОГ возрастает и составляет 390 ррт. При других значениях 0М = 30, 26 и 22 содержание оксидов азота в ОГ составляет, соответственно, 347 ррт, 348 ррт и 220 ррт .
Кривые изменения значений содержания оксидов азота в ОГ дизеля, полученные при установочном УОВТ 0ДТ = 26 и различных углах впрыскивания метанола 0М, показывают, что при установочных УОВТ 0М, равных 34, 30, 26 и 22, содержание оксидов азота в ОГ равно, соответственно, 365 ррт, 350 ррт, 300 ррт и 225 ррт.
Значения содержания оксидов азота в ОГ дизеля, полученные при установочном УОВТ 0ДТ = ЗО и различных углах впрыскивания метанола 0М, показывают, что при установочных УОВТ 0М, равных 34, 30, 26 и 22, содержание оксидов азота в ОГ равно, соответственно, 355 ррт, 340 ррт, 290 ррт и 230 ррт. Из графика видно, что при увеличении угла УОВТ 0М содержание оксидов азота в ОГ дизеля изменяется по сложной зависимости.
Изменения значений содержания оксидов азота в ОГ дизеля, полученные при установочном УОВТ 0ДТ = 38 и различных углах впрыскивания метанола 0М показывают, что при установочных УОВТ 0М, равных 38, 34, 30, 26 и 22, содержание оксидов азота в ОГ равно, соответственно, 355 ррт, 322 ррт, 343 ррт, 354 ррт и 222 ррт. Из графика видно, что тенденция изменения значений содержания оксидов азота в ОГ дизеля происходит по сложной зависимости при увеличении угла УОВТ 0М.
Кривые изменения значений содержания оксидов азота в ОГ дизеля, полученные при установочном УОВТ 0ДТ = 42 и различных углах впрыскивания метанола 0М, показывают, что при установочных УОВТ 0М, равных 38, 34, 30, 26 и 22, содержание оксидов азота в ОГ равно, соответственно, 273 ррт, 310 ррт, 349 ррт, 330 ррт и 215 ррт. Из графика видно, что тенденция изменения значений содержания в ОГ оксидов азота по сложной зависимости при увеличении угла УОВТ 0М также по-прежнему сохраняется.
На рисунке 4.3, б представлены графики влияния применения метанола в дизеле 24 10,5/12,0 при работе с ДСТ при различных установочных УОВТ на содержание оксидов азота в ОГ при частоте вращения двигателя (п = 1400 мин), снятые при 0ДТ (26...42) и 0М (22.. .38).
Если при оптимальных значениях установочных УОВТ (0ДТ = 34 и 0М = 34) содержание оксидов азота в ОГ дизеля составляет 360 ррт, то при большем значении 0М = 38 содержание оксидов азота в ОГ возрастает и составляет 410 ррт. При других значениях 0М = 30, 26 и 22 содержание оксидов азота в ОГ составляет, соответственно, 367 ррт, 368 ррт, и 240 ррт. Кривые изменения значений содержания оксидов азота в ОГ дизеля, полученные при установочном УОВТ 0ДТ = 26 и различных углах впрыскивания
Влияние применения метанола в дизеле 24 10,5/12,0 при работе с ДСТ в зависимости от различных установочных УОВТ на содержание оксидов азота в ОГ: а-при п=1800 мин"1 и ре = 0,585 МПа, чвдг= 6fi мг/цикл; б - при п = 1400 мин"1 и ре = 0,594 МПа, qm = 6,0 мг/цикл 109 метанола 0М, показывают, что при установочных УОВТ 0М, равных 34, 30, 26 и 22, содержание оксидов азота в ОГ равно, соответственно, 385 ррт, 370 ррт, 320 ррт и 245 ррт.
Значения содержания оксидов азота в ОГ дизеля, полученные при установочном УОВТ дт = 30 и различных углах впрыскивания метанола 0М, показывают, что при установочных УОВТ 0М, равных 34, 30, 26 и 22, содержание оксидов азота в ОГ равно, соответственно, 375 ррт, 360 ррт, 310 ррт и 250 ррт. Из графика видно, что при увеличении установочного УОВТ 0М содержание оксидов азота в ОГ дизеля изменяется по сложной зависимости.
Изменения значений содержания оксидов азота в ОГ дизеля, полученные при установочном УОВТ 0OT = 38 и различных углах впрыскивания метанола 0М, показывают, что при установочных УОВТ 0М, равных 38, 34, 30, 26 и 22, содержание оксидов азота в ОГ равно, соответственно, 375 ррт, 342 ррт, 365 ррт, 375 ррт и 245 ррт. Из графика видно, что тенденция изменений значений содержания оксидов азота в ОГ дизеля при увеличении установочного УОВТ 0М по-прежнему сохраняется.
Кривые изменения значений содержания оксидов азота в ОГ дизеля, полученные при установочном УОВТ 0ДТ = 42 и различных углах впрыскивания метанола 0М, показывают, что при установочных УОВТ 0М, равных 38, 34, 30, 26 и 22, содержание оксидов азота в ОГ равно, соответственно, 295 ррт, 330 ррт, 370 ррт, 350 ррт и 235 ррт. Из графика видно, что тенденция изменения значений содержания оксидов азота в ОГ при увеличении угла УОВТ 0М также по-прежнему сохраняется.
