Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований 7
1.1 Анализ способов применения альтернативных топлив и топливных добавок в двигателях внутреннего сгорания 7
1.2 Анализ физико-химических свойств метанола как топлива для ДВС 27
1.3 Способы подачи метанола в ДВС 32
1.4 Задачи исследований 35
2. Расчётно-теоретический анализ параметров рабочего цикла и показателей работы дизеля при подаче метанола на впуске 38
2.1 Способ работы дизеля с подачей метанола на впуске 38
2.2 Методика и математическая модель расчётно-теоретического анализа параметров рабочего цикла и показателей работы дизеля с подачей метанола на впуске 40
2.3 Результаты расчётно-теоретического анализа параметров рабочего цикла и показателей работы дизеля при подаче метанола на впуске 48
2.4 Расчётно-теоретический анализ теплового баланса дизеля при подаче метанола на впуске 55
3. Методика экспериментальных исследований 60
3.1 Общая методика 60
3.2 Методика безмоторных исследований по обоснованию выбора агрегатов системы подачи метанола во впускной трубопровод 64
3.3. Методика исследования параметров свежего заряда 66
3.4 Методика индицирования двигателя 69
3.5 Методика исследования эффективных показателей 71
3.6 Методика исследования температуры и токсичности отработавших газов. 74
3.7 Обработка результатов и погрешности измерений 77
4. Результаты экспериментальных исследований 80
4.1 Результаты безмоторных испытаний системы подачи метанола во впускной тракт 80
4.2 Результаты экспериментальных исследований параметров рабочего цикла и показателей работы дизеля при определении регулировочных параметров подачи метанола на впуске 81
4.3 Результаты экспериментальных исследований параметров рабочего цикла и показателей работы дизеля по замещению дизельного топлива метанолом, подаваемым на впуске 89
Общие выводы 103
Список литературы 106
Приложения 114
- Анализ физико-химических свойств метанола как топлива для ДВС
- Методика и математическая модель расчётно-теоретического анализа параметров рабочего цикла и показателей работы дизеля с подачей метанола на впуске
- Методика безмоторных исследований по обоснованию выбора агрегатов системы подачи метанола во впускной трубопровод
- Результаты экспериментальных исследований параметров рабочего цикла и показателей работы дизеля при определении регулировочных параметров подачи метанола на впуске
Введение к работе
Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) - наиболее распространенный тип тепловых двигателей. На их долю приходится порядка 80% всей вырабатываемой в мире механической энергии, при этом ДВС потребляют значительное количество природных материалов и сырья, которые относятся к исчерпае-мым ресурсам. Учитывая тенденции удорожания нефтепродуктов при сокращении запасов нефти на земле, особую остроту приобрела проблема повышения топливной экономичности.
Кроме того, ДВС являются одними из основных загрязнителей окружающей среды. К концу XX века в результате бурного развития промышленности и транспорта возникла проблема защиты окружающей среды от загрязнения ее токсичными веществами. Особенно опасным источником загрязнения атмосферы является интенсивная автомобилизация, происходящая во многих странах. В значительной степени именно она обусловила загрязнение воздуха отработавшими газами в городах, в населенных пунктах, в промышленных районах. Наличие токсичных компонентов (оксидов углерода, оксидов азота, углеводородов и других) в отработавших газах ДВС, выбрасываемых в атмосферу, создает опасность для здоровья людей и, в частности, по исследованиям онкологов является причиной возникновения раковых заболеваний. Токсичность отработавших газов ДВС обуславливается их конструктивными и регулировочными факторами, видом используемых топлив и масел, а также протеканием процесса сгорания, условиями работы и технического состояния двигателя.
Снижение содержания одного из токсичных компонентов зачастую приводит к повышению содержания другого. Это обуславливается особенностями и различиями в механизмах образования продуктов неполного сгорания топлива и связанной с этим топливной экономичностью ДВС. Успешное выполнение этих сложных задач, не имеющих однозначных решений, возможно лишь на основе проведения углубленных теоретических и экспериментальных исследований с использованием современных методов и средств. Принимая во внимание отмеченные факторы, проблемы уменьшения загрязнения атмосферы токсичными веществами, выделяемыми ДВС, и повышения их экономичности приобретают особую остроту и выходят за рамки частной задачи двигателестроения. Существенного улучшения качества смесеобразования, сгорания, повышения экономичности работы дизеля и уменьшения токсичных выбросов с отработавшими газами возможно достичь использованием альтернативных видов топлива. Применение в ДВС новых видов топлива ненефтяного происхождения позволяет частично решить не только энергетическую проблему, но и целый ряд экологических вопросов, связанных со снижением токсичности отработавших газов (ОГ). Использование в рабочем цикле альтернативных топливных добавок совместно с традиционными топливами также решает вопросы улучшения эффективных показателей и снижения токсичности ОГ двигателей.
В связи с этим, проблематика улучшения эффективных и экологических показателей автотракторных дизелей с наддувом путем подачи метанола на впуске является актуальной и требует научно-обоснованных решений.
Анализ физико-химических свойств метанола как топлива для ДВС
Метанол в России вырабатывается по ГОСТ 2222-95 /4,25,52,53/ (метанол технический синтетический) двух марок: А и Б; ежегодная выработка метанола в России находится на уровне около 1,8...2,0 млн. т. Объем производства метанола в мире составляет 30...32 млн. т в год, что составляет всего около 3% от объема производства бензина; таким образом, метанол не может заменить бензин в полном объеме и может рассматриваться в лучшем случае как возможный компонент автомобильных бензинов. Метанол (метиловый спирт), или древесный спирт, представляет собой бесцветную воспламеняющуюся жидкость со слабым спиртовым и не очень острым запахом. Хорошо смешивается с водой. Физические и химические свойства метанола приведены в таблице 1.4 /25,54,55/. Ограниченность использования спиртов в качестве моторного топлива связана с целым рядом общих недостатков: — пониженная (почти в два раза) по сравнению с углеводородными топливами теплота сгорания, что оказывает отрицательное влияние на мощностные характеристики двигателя; — низкая энергоплотность спиртов по сравнению с углеводородными топливами (16 МДж/л для метанола и 21 МДж/л для этанола против 32 МДж/л для бензина) приводит к увеличению почти в два раза удельного расхода спиртового топлива и требует для обеспечения одинакового запаса хода почти вдвое большего объема топливного бака; — низкое давление насыщенных паров и высокая теплота испарения, в 4...5 раз превосходящая эти показатели углеводородных топлив, затрудняют, а иногда даже делают невозможным, пуск двигателя при низких температурах. Запуск бензиновых двигателей на спиртовых топливах невозможен уже при температуре ниже плюс 10С; для устранения этого недостатка в спирты добавляют 6...10% изопентана или диметилового эфира, что обеспечивает пуск двигателей при температурах до минус 20... минус 25С; возможна также установка специальных подогревателей спиртовых топлив, что усложняет конструкцию двигателя; — неограниченная растворимость воды в метаноле и этаноле, контакта с которой практически невозможно избежать при хранении, транспортировке, заправке автомобилей и прочих операциях; попадание даже небольшого количества воды резко ухудшает эксплуатационные свойства спиртовых топлив и приводит к вымыванию спиртов из бензина и переходу их в нижний водно-спиртовой слой; — высокая коррозионная агрессивность самих спиртов и особенно продуктов их превращений (низкомолекулярные кислоты, альдегиды и другие), усиливающаяся в присутствии воды; — спирты оказывают отрицательное влияние на резинотехнические и пластмассовые детали оборудования и двигателей, вызывая их набухание (а иногда и растворение), изменение геометрических размеров со всеми вытекающими последствиями; — в отработавших газах при использовании спиртовых топлив обнаружены альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, содержание которых в 1,5...2 раза выше по сравнению с использованием углеводородных моторных топлив; — переход с углеводородных топлив на спиртовые требует существенной модернизации или перерегулировки системы подачи топлива, в частности, соотношения воздух/топливо, которое для спиртовых топлив значительно ниже из-за наличия кислорода в последних, а также изменения степени сжатия и других параметров двигателя /2,4,5,25,55,56/. Для устранения перечисленных недостатков необходимо применять специальные меры: - устранение возможности контакта с водой и водяными парами или проведение осушки спиртов перед заправкой в автомобиль; - использование металлов или различных покрытий, не подвергающихся коррозии при контакте со спиртовыми топливами, или введение в спиртовые топлива специальных антикоррозионных присадок (ингибиторов коррозии); - замена резинотехнических и пластмассовых изделий, подвергающихся воздействию спиртовых топлив на материалы, стойкие к такому воздействию; - разработка каталитических нейтрализаторов отработавших газов, способных обеспечить окисление альдегидов, кислот и других продуктов неполного сгорания спиртовых топлив до воды и диоксида углерода; - организация производства двигателей, специально предназначенных для работы на спиртовых топливах /2,4,5,25,55,56/. Работа непосредственно дизельных двигателей на спиртовых топливах возможна при следующих условиях: - введение в спирты присадок, улучшающих их воспламеняемость (повышающих цетановое число). Так, введение 20% циклогексилнитрата в этанол и метанол повышает их цетановые числа с 8 и 3 до 60 и 53 единиц соответственно; - переоборудование дизельного двигателя в двигатель с искровым зажиганием, что требует установки дополнительного электрооборудования; - участие спиртов в рабочем цикле совместно с дизельным топливом /4,5,55,56/.
Методика и математическая модель расчётно-теоретического анализа параметров рабочего цикла и показателей работы дизеля с подачей метанола на впуске
Целью данного этапа исследований является проведение теоретического расчёта параметров рабочего цикла и показателей работы дизеля при подаче метанола на впуске и их сравнение с параметрами штатного цикла. Для реализации поставленной цели методика предусматривает: - тепловой расчёт штатного цикла; -тепловой расчёт цикла при подаче метанола на впуске при форсировании дизеля; - тепловой расчёт цикла при подаче метанола на впуске при замеще нии дизельного топлива метанолом; -расчёт и построение индикаторных диаграмм, их сравнительный анализ; -расчёт и анализ индикаторных и эффективных показателей работы дизеля. Объектом исследований является дизель 6ЧН 13/11,5 (СМД-62). Расчёт производится при работе дизеля на номинальном режиме. Расчёт параметров штатного рабочего цикла дизеля проводится по известной методике /41/ для одного килограмма дизельного топлива марки «Л» ГОСТ 305-82. Исходные данные к расчёту приведены в таблице П.А. 1. Особенностью расчёта рабочего цикла дизеля с подачей метанола на впуске является то, что часть теплоты наддувочного воздуха расходуется на нагрев и испарение метанола, а также участие метанола в процессе сгорания. Из анализа данных, приведенных в подразделе 1.3, количество подаваемого метанола для дизеля с прямым впуском рекомендуется ограничить в количестве 30% от расхода дизельного топлива во избежание чрезмерно жесткой работы дизеля, но в связи с тем, что дизель СМД — 62 является наддувным и работает с большим коэффициентом избытка воздуха (а=1,6...1,7), а также обладает большим рабочим объемом, допускаем, что подачу метанола можно увеличить до 50% от расхода дизельного топлива. Таким образом, в расчетах подача метанола \/ изменяется от 0 до 50 % от массового расхода дизельного топлива. Теоретически необходимое количество воздуха 10 (кг) или L0 (кмоль) для сгорания одного килограмма дизельного топлива и v/ кг метанола определяется по следующему Свежий заряд, представляющий собой смесь воздуха и паров метанола, при невысоких давлениях без особой погрешности можно рассматривать как смесь идеальных газов. В таком случае к ним применимы закономерности, сформулированные для смеси идеальных газов. При впрыскивании метанола в наддувочный воздух происходит снижение его температуры вследствие потерь тепла на нагрев и испарение метанола. В идеальном случае энтальпия воздуха (h), затраченная на испарение метанола, полностью возвращается с парами метанола в воздух, поэтому процесс можно рассматривать при условии h=const /60,61/. Понижение температуры воздуха при впрыске метанола можно определить исходя из следующих положений. Уравнение смешения воздуха с парами метанола может быть выражено: где gu и gB0VI — массовая доля паров метанола и воздуха в смеси; Л« и К энтальпия метанола до и после смешения, кДж/кг; Козд и Ь возд энтальпия воздуха до и после смешения, кДж/кг. Так как разность энтальпий воздуха до и после смешения определяется: то температура охлаждённого воздуха Т к (К) составит: где Срвозд - средняя удельная теплоёмкость воздуха при постоянном давлении, кДж/(кгхК); Тк и Т к - температура наддувочного воздуха до и после испарения метанола, К. При условии полного испарения метанола и образования перегретого пара разность энтальпий паров метанола и жидкого метанола в уравнении (2.13) можно представить в виде: где Твпр и T s — температура впрыскиваемого метанола и температура насыщения парами метанола в свежем заряде, К; г - теплота парообразования метанола, кДж/кг; См и Срмп - средние удельные теплоёмкости метанола и паров метанола при постоянном давлении, кДж/(кг-К).
Методика безмоторных исследований по обоснованию выбора агрегатов системы подачи метанола во впускной трубопровод
Для измерения и регистрации контролируемых параметров экспериментальная установка оснащена соответствующими датчиками и приборами.
Основными оценочными показателями работы дизеля в исследованиях приняты: эффективная мощность, расход дизельного топлива, удельный эффективный расход дизельного топлива, удельный энергетический и удельный стоимостной расход топлив, расход метанола, токсичность отработавших газов.
Целью настоящих исследований является обоснование выбора элементов и определение характеристик системы подачи метанола во впускной трубопровод перед турбокомпрессором.
Объектом исследований является устройство для подачи метанола оригинальной конструкции. Схема устройства для подачи метанола представлена на рис. 3.3, внешний вид устройства - на рис. 3.4.
1 - ёмкость для метанола; 2 - устройство для замера расхода метанола; 3 -насос; 4 - манометр; 5 - дроссель; 6 - пневматическая форсунка; 7 - компрессор; 8 - перепускной клапан.
65 Принцип действия данного устройства заключается в следующем: метанол из емкости 1 забирается роторным насосом 3 и подается в нагнетательную магистраль. Давление в магистрали контролируется манометром 4. Количество подаваемого метанола регулируется дросселем 5. Излишки метанола через перепускной клапан 8 возвращаются во всасывающую магистраль. Распыливание метанола производится пневматической форсункой 6 за счет сжатого воздуха, поступающего от компрессора 7.
Применение пневматической форсунки обусловлено простотой конструкции и изготовления, возможностью работы при небольшом давлении метанола перед форсункой и тонким распыливанием впрыскиваемого метанола. Вместе с тем её установка не увеличивает сопротивление впускного тракта.
Для определения параметров подачи метанола и сравнительной оценки качества распыливания метанола производится снятие характеристики подачи метанола в зависимости от положения дросселя и характеристики качества распыливания в зависимости от подачи метанола и давления воздуха перед форсункой.
Качество распыливания контролируется визуально. Давление воздуха перед форсункой контролируется по манометру компрессорной установки.
До и после испытания производится разборка и проверка технического состояния насоса, форсунок, дросселя, перепускного клапана.
Результаты исследований в дальнейшем используются при проведении моторных испытаний дизеля с подачей метанола на впуске.
Результаты экспериментальных исследований параметров рабочего цикла и показателей работы дизеля при определении регулировочных параметров подачи метанола на впуске
Первоначально проведены исследования по определению максимально возможной подачи метанола при штатных регулировках ДТА. Испытания проводились на режиме частичной нагрузки (0,8NC) и штатном УОВТ. Изменяемым параметром в ходе эксперимента является количество подаваемого метанола. Ограничивающими параметрами являются жесткость работы, температура отработавших газов, температура двигателя.
Результаты обработки диаграмм, полученные в ходе индицирования дизеля на первом этапе исследований, ограничивают по жесткости рабочего цикла подачу метанола в количестве 11 кг/ч (рисунок 4.4). Рост жесткости работы дизеля объясняется высокой скоростью сгорания метанола при воспламенении дизельного топлива.
Рисунок 4.4 - Изменение жесткости работы дизеля СМД - 62 со штатными регулировками ДТА в зависимости от количества подаваемого метанола на впуске
ри подаче метанола в количестве 11 кг/ч максимальное давление цикла не изменяется по сравнению со штатным циклом и составляет 8,3 МПа (рисунок 4.5).
Снижение максимальной температуры в камере сгорания на 75 К (3%) происходит за счет испарительного охлаждения наддувочного воздуха, а также за счет выгорания большей части топлив в фазе быстрого горения, что показывает сравнение динамик относительного количества выгоревшего топлива X штатного цикла и цикла с подачей метанола на впуске.
При максимальной подаче метанола с учетом допустимой скорости нарастания давления 11 кг/ч возросли по сравнению со штатным циклом (рисунок 4.6): эффективная мощность двигателя с 91,4 кВт до 95,4 (на 4%), удельный стоимостной расход топлив с 4,4 руб/(кВт-ч) до 4,7 руб/(кВт-ч) (на 5%), удельный энергетический расход топлив с 11,8 МДж/(кВт-ч) до 12,5 МДж/(кВт-ч) (на 6%). Значение следующих параметров уменьшились: часовой расход дизельного топлива с 25,4 кг/ч до 22,9 кг/ч (на 10%), температура наддувочного воздуха с 96 С до 90 С (на 6%), что способствует уменьшению теплонапряженности двигателя, температура отработавших газов с 520 С до 500 С (на 4%), температура двигателя с 85 С до 81 С (на 5%), удельный эффективный расход дизельного топлива с 277 г/(кВт-ч) до 242 г/(кВт-ч) (на 13%), дымность отработанных газов (ОГ) с 0,5 м"1 до 0,36 м"1 (на 28%). Выбросы оксидов азота остались на прежнем уровне 3530 ррт. При подаче метанола более 11 кг/ч наблюдается увеличение жесткости работы дизеля свыше допустимых пределов (рисунок 4.4), увеличение температуры двигателя и температуры отработавших газов, свидетельствующие о недопустимости эксплуатации дизеля на данных режимах, несмотря на улучшение некоторых эффективных показателей. Так, при подаче метанола в количестве 13,3 кг/ч возросли значения следующих показателей: эффективная мощность двигателя с 91,4 кВт, при работе без подачи метанола, до 95,7 кВт (на 5%), удельный стоимостной расход топлив с 4,4 руб/(кВт-ч) до 4,6 руб/(кВт-ч) (на 3%), удельный энергетический расход топлив с 11,8 МДж/(кВт-ч) до 12,3 МДж/(кВт-ч) (на 4%), выбросы оксидов азота с 3530 ррт до 3680 ррт (на 4%). Уменьшились значения следующих показателей: часовой расход дизельного топлива до 21,5 кг/ч с 25,4 кг/ч (на 16%), температура надувочного воздуха с 96 С до 90 С (на 6%), удельный эффективный расход дизельного топлива с 277 г/(кВт-ч) до 225 г/(кВт-ч) (на 19%), дымность ОГ с 0,5 м"1 до 0,34 м"1 (на 32%).
