Содержание к диссертации
Введение
1.0. Состояние вопроса и задачи исследований 12
1.1. Перспективы применения кислородсодержащих топлив в дизелях 12
1.2. Способы применения спиртовых топлив в качестве моторного топлива 19
1.3. Особенности применения спиртовых добавок к дизельному топливу 26
1.4. Применение топливных эмульсий и композиций в дизелях в РФ и за рубежом 33
1.5. Влияние топливных эмульсий на процессы впрыскивания, распиливания, смесеобразования и сгорания в цилиндре дизеля 41
1.5.1. Влияние топливных эмульсий на процессы впрыскивания, распыливания и смесеобразование в цилиндре дизеля 41
1.5.2. Влияние топливных эмульсий на процесс сгорания в дизелях; 45
1.6. Цели и задачи исследования 49
2.0. Теория воздействия присадок на промотирова-ние процесса воспламенения и горения метаноло-топливной эмульсии в цилиндре дизеля 52
2.1. Теория воздействия присадок на промотирование процесса воспламенения метаноло-топливной эмульсии в цилиндре дизеля 52
2.2. Влияние состава метаноло-топливной эмульсии на показатели процесса сгорания в цилиндре дизеля 77
3.0. Методика исследований 85
3.1. Методика исследований рабочего процесса дизеля воздушного охлаждения при работе на метаноло-топливной эмульсии 85
3.1.1. Общая методика исследований 85
3.1.2. Методика исследований свойств метаноло-топливных эмульсий с присадками целенаправленного действия 89
3.1.3. Методика проведения сравнительных испытаний работы топливной аппаратуры дизеля на дизельном топливе и метаноло-топливной эмульсии 91
3.1.4. Методика исследований влияния состава метаноло-топливной эмульсии на рабочий процесс, эффективные и токсические показатели работы дизеля 93
3.2. Приборы и оборудование, применяемое при исследованиях 95
3.3. Методика обработки результатов исследований 100
4.0. Результаты экспериментальных исследований 105
4.1. Результаты исследований свойств метаноло-топливной эмульсий с присадками целенаправленного действия 105
4.2. Результаты исследований работы топливной аппаратуры дизеля на дизельном топливе и метаноло-топливной эмульсии 113
4.3. Результаты исследований влияния состава метаноло-топливной эмульсии на рабочий процесс, эффективные и токсические показатели работы дизеля 116
4.3.1... Определение оптимальных регулировок системы топливоподачи при работе дизеля на метаноло-топливной эмульсии 116
4.3.2. Влияние состава метаноло-топливной эмульсии на показатели процесса сгорания и тепловыделения в цилиндре дизеля 121
4.3.3. Влияние состава метаноло-топливной эмульсии на эффективные показатели работы дизеля 134
4.3.4. Влияние состава метаноло-топливной эмульсии на показатели дымности и токсичности отработавших газов дизеля 138
4.4. Определение относительного содержания и массовой концентрации сажи в цилиндре дизеля 143
4.4.1. Определение относительного содержания и массовой концентрации сажи в цилиндре дизеля в зависимости от угла поворота коленчатого вала 143
4.4.2. Определение относительного содержания и массовой концентрации сажи в цилиндре дизеля в зависимости от изменения установочного угла опережения впрыскивания топлива 147
4.4.3. Определение относительного содержания и массовой концентрации сажи в цилиндре дизеля в зависимости от изменения нагрузки и частоты вращения коленчатого вала 150
4.5. Зависимости показателей процесса сгорания, тепловыделения, эффективных показателей, показателей дымности и токсичности ОГ от состава топлива 154
4.5.1. Зависимости показателей процесса сгорания и тепловыделения дизеля от состава топлива 154
4.5.2. Зависимости эффективных показателей работы дизеля от состава топлива 157
4.5.3. Зависимости показателей дымности.и токсичности отработавших газов дизеля от состава топлива 158
5.0. Технико-экономическая оценка исследований 160
6.0. Создание макетного образца трактора Т-25а для работы на спиртосодержащих топливах 163
6.1. Разработка системы регулирования и топливоподачи дизеля
24 10,5/12,0 для работы на спиртосодержащих топливах 163
6.2. Разработка и создание макетного образца трактора Т-25А для работы на спиртосодержащих топливах 166
Общие выводы и рекомендации 169
Литература 171
Приложения 191
- Применение топливных эмульсий и композиций в дизелях в РФ и за рубежом
- Влияние состава метаноло-топливной эмульсии на показатели процесса сгорания в цилиндре дизеля
- Методика исследований свойств метаноло-топливных эмульсий с присадками целенаправленного действия
- Результаты исследований работы топливной аппаратуры дизеля на дизельном топливе и метаноло-топливной эмульсии
Введение к работе
Задача экономии моторных нефтяных топлив и ограниченность сырья для их производства выдвигают на первый план необходимость поиска альтернативных топлив для двигателей внутреннего сгорания. Так, автотранспорт в странах СНГ потребляет в год около 60 млн. тонн топлива, только в сельском хозяйстве этих стран находится около 3 млн. тракторов и более миллиона комбайнов. При этом необходимо иметь в виду, что все тракторные и комбайновые двигатели - дизели..
Всевозрастающие темпы двигателестроения предполагают проблему экономного и эффективного использования имеющихся ресурсов топлива. За последние годы также значительно обострились экологические проблемы.
Как и за рубежом, основными направлениями по снижению загрязнения атмосферного воздуха от вредных выбросов тракторов и автомобилей в сельском хозяйстве России будут: улучшение качества ДВС и их социально-экологических характеристик; снижение расхода топлива; ускоренное развитие транспортных средств, работающих на альтернативных моторных топливах ненефтяного происхождения и имеющих улучшенные эксплуатационные показатели.
Международные обязательства России по охране окружающей среды определяют важность работ, направленных на оздоровление экологической обстановки, в первую очередь на снижение загрязнения атмосферного воздуха от вредных выбросов транспортных средств. При этом особый интерес представляют задачи одновременного улучшения экологических и эффективных показателей дизелей транспортных средств.
Анализ передовых направлений научных исследований, проведенных за рубежом и в странах СНГ, посвященных данной проблеме, позволяет сделать вывод, что для практической реализации в двигателях транс-
портных средств и, в первую очередь, в дизелях, возможно использование такого альтернативного топлива, как метиловый спирт (метанол), который имеет ненефтяное происхождение. Следует отметить, что использование метанола может также значительно снизить дымность и токсичность ОГ дизелей. Это особенно важно для дизелей тракторов и энергоустановок, работающих в помещениях с ограниченным воздухообменом. Исследований же по оценке возможности применения метанола на сельскохозяйственных дизелях в нашей стране недостаточно.
Наиболее простым, дешевым и доступным способом применения метанола в настоящее время является его использование в виде эмульсии с дизельным топливом и пакетом присадок, улучшающим ее свойства. Указанный способ позволяет в определенной степени экономить ДТ, не требует значительных затрат на внесение конструктивных изменений и дополнений в дизель и может быть реализован на двигателях, уже находящихся в эксплуатации.
В настоящее время все большее распространение получает применение присадок к топливам. Количество товарных марок присадок в мире, исчисляется тысячами и их применение становится обязательным. В России, которая в этой области отстает от наиболее промышленно развитых стран, фактически применяются лишь отдельные присадки, причем их использование становится постоянной практикой.
Все это дает основание предполагать, что улучшение эффективных показателей дизелей тракторов, предназначенных для эксплуатации в том числе и экологически экстремальных условиях, путем снижения токсичности и дымности ОГ, экономии нефтяного моторного топлива за счет применения альтернативных топлив с присадками целенаправленного действия, является весьма актуальной научной задачей, имеющей важное народнохозяйственное значение и включенной Правительством РФ в перечень критических технологий федерального уровня.
Цель исследований. Улучшение эффективных и экологических показателей тракторного дизеля 24 10,5/12,0 при работе на метаноло-топливной эмульсии.
Объект исследований. Тракторный дизель 24 10,5/12,0 (Д-21АІ) воздушного охлаждения сельскохозяйственного трактора, Т-25А, работающий на метаноло-топливной эмульсии.
Научная новизна работы.
Исследование физико-химических свойств и разработка метаноло-топливной эмульсии.
Теоретические предпосылки воздействия присадок на промотиро-вание процесса воспламенения и горения метаноло-топливной эмульсии в цилиндре дизеля.
Определение влияния состава,метаноло-топливной эмульсии на показатели первой фазы процесса сгорания в цилиндре дизеля.
Определение регулировочных параметров топливоподающей аппаратуры, обеспечивающих получение оптимальных параметров работы дизеля на метаноло-топливной эмульсии.
Исследование влияния метаноло-топливной эмульсии с присадками на процессы сгорания, образования сажи, характеристики тепловыделения и сажевыделения в цилиндре, мощностные, экономические и токсические показатели тракторного дизеля 24 10,5/12,0.
Конструкция и опытный образец трактора Т - 25А с системой питания, модернизированной для работы на метаноло-топливной эмульсии с улучшенными эффективными и экологическими показателями, предназначенного для эксплуатации и в том числе в помещениях с ограниченным воздухообменом.
Практическая ценность работы и реализация результатов исследований. Результаты исследований использованы 25-ым ГосНИИ МО РФ в работе по исследованию и созданию новых видов высокоэффективных
дизельных топлив для спецтехники и в ОАО ВНИИ НП в работе по созданию и исследованию новых видов многофункциональных присадок к дизельным топливам, а также для составления базы данных по присадкам к топливам.
Результаты научно-технической разработки, созданной при выполнении диссертационной работы, доведены до стадии создания макетного образца, трактора Т-25 А и проведения функциональных испытаний. Макетный образец трактора Т-25 А с системой питания, модернизированной для работы на метаноло-топливной эмульсии, внедрен в учебно-опытном хозяйстве «Чистые пруды» Вятской ГСХА.
Материалы диссертации используются в учебном процессе Вятской государственной сельскохозяйственной академии и Чебоксарском институте Московского государственного открытого университета.
Экономический эффект от уменьшения вредного воздействия ОГ на атмосферу составляет 708 руб. в год из расчета на один трактор при средней годовой наработке 1000 мото-часов.
Связь с планами научных исследований. Диссертационная работа выполнена в соответствии с темой № 24 плана НИР Вятской ГСХА на 2000...2005 г. г. (номер государственной регистрации в ВНТИЦентре 01.2002.06497) и соглашением о научно-техническом сотрудничестве между Вятской ГСХА и 25-ым ГосНИИ МО РФ.
На защиту выносятся следующие положения.
Теоретическое обоснование воздействия присадок на промотиро-вание процесса воспламенения и горения метаноло-топливной эмульсии в цилиндре дизеля..
Уточненные зависимости расчета параметров первой фазы процесса сгорания при работе дизеля на метаноло-топливной эмульсии.
Результаты лабораторных исследований свойств метаноло-топливных эмульсий на основе метанола и дизельного топлива с присад-
ками и состав новой метаноло-топливной эмульсии.
Результаты стендовых испытаний топливоподающей аппаратуры при работе на метаноло-топливной аппаратуре.
Результаты стендовых исследований влияния применения метаноло-топливной эмульсии с присадками целенаправленного действия в качестве моторного топлива на процесс сгорания, сажеобразования, характеристики тепловыделения и сажевыделения, мощностные, экономические и токсические показатели тракторного дизеля 24 10,5/12,0 с камерой сгорания в поршне.
6*. Конструкция и макетный образец трактора Т-2 5А с системой питания, модернизированной для работы на метаноло-топливной эмульсии с. улучшенными эффективными и экологическими показателями, предназначенный для эксплуатации и в том числе в помещениях с ограниченным воздухообменом.
Апробация работы. Основные результаты и материалы диссертации докладывались и обсуждались на научных конференциях Вятской государственной сельскохозяйственной академии в 2000.,.2004 г. г., на 12-оЙ на* учно-практической конференции вузов Поволжья и Предуралья «Улучшение эксплуатационных показателей мобильной энергетики», 2001 г. (г; Киров), на Международной научно-технической конференции «Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей», 2002, 2004 п.г, (Санкт-Петербургский государственный аграрный университет, г. Санкт-Петербург-Пушкин), Международной научно-практической: конференции «Здоровье - Питание - Биологические ресурсы», 2002 г. (НИИСХ Северо - Востока, г. Киров), на II Международной научно - практической конференции «Новые топлива с присадками», 2002 г. (Академия прикладных исследований, п Санкт-Петербург), на 9-ой Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей», 2003 г.
(ВлГУ, г. Владимир).
Публикации результатов исследований. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 20 научных работах, включая тезисы статей, статьи, патент на изобретение № 2221839.
Применение топливных эмульсий и композиций в дизелях в РФ и за рубежом
Применение метанола в дизелях может осуществляться как в чистом виде, так и в смеси с ДТ или присадками, повышающими ЦЧ. Анализ работ показывает, что во всех случаях использования чистого метанола требуются соответствующие изменения в конструкции дизеля и источники для его принудительного воспламенения. Применение для этой цели запальной дозы ДТ можно условно считать одним из вариантов применения метанола в смеси с другими топливами и рассмотреть этот способ более подробдо.
С точки зрения экономической эффективности наиболее предпочтительно использование метанола в смеси с ДТ. Приготовление стабильных спиртосодержащих топлив может осуществляться следующими способами: с помощью механических [54, 110, 111] или химических эмульгаторов [46, 54, 60, 76, 112, 113, 171]. Приготовление эмульсий с помощью механических эмульгаторов может производиться в различных установках: гомогенизаторах, диспергаторах, коллоидных мельницах и т.п. Стабильность во времени получаемых при этом эмульсий метанола и ДТ очень незначи-тельна:гот нескольких минут до 1.. .2 часов.
Поэтому наиболее предпочтительно приготовление спиртосодержащих топлив непосредственно перед впрыскиванием их в цилиндры дизеля. Технические решения этого способа на практике достаточно многообразны [114.. .116]..
Разработан способ эмульгирования, заключающийся в следующем [121]. Основное топливо (дизельное) подается по каналу насосом высокого давления к смесителю — распылителю или просто подпружиненному клапану, размещенному у емкости сбора эмульсии. После каждого импульса подачи, путем резкого увеличения концевого объема в концевой части трубопровода у насоса формируют волну разряжения. Волна разряжения со скоростью звука для данной среды движется по трубопроводу, вызывая в нем разрывы сплошности в виде микроскопических пузырьков воздуха. Подачу добавителя осуществляли через обратный клапан, установленный на трубопроводе. Последний открывался при прохождении волны разряжениями добавитель поступал в полость трубопровода, заполняя образовавшиеся пузырьки. Многократное пробегание волны разряжения, движение смеси топлива к сливному клапану и само стравливание смеси в емкость под повышенным давлением приводит к дроблению, перемешиванию компонентов и в конечном итоге — к созданию устойчивых эмульсий. Так, эмульсия дизельного топлива с водой в пропорции 10 :2 сохраняла стабильность при +10 С до 20 суток, после чего отмечались укрупнения: капель и последующее расслоение составляющих.
Использование химических эмульгаторов позволяет получать эмульсии с широким диапазоном изменения количества замещаемого метанолом ДТ: и высокой стабильностью. Стоимость таких эмульгаторов во много раз выше стоимости ДТ. В качестве эмульгаторов могут выступать высшие: спирты, поверхностно-активные вещества и некоторые другие соединения,
Некоторые присадки - антидетонаторы, антиоксиданты, депрессоры - в течение нескольких десятков лет успешно применяют на нефтеперерабатывающих заводах для обеспечения выработки топлив требуемого качества. Другие вводят в топливо на нефтебазах или применяются непосредственно потребителем топлива. В большинстве случаев использование присадок представляет собой большую экономическую выгоду. Часто использование присадок является единственно возможным способом поддержания оптимального режима работы двигателя. Примером могут служить моющие присадки, применение которых предусмотрено с 1990 г. «Законом о чистом воздухе США». Использование присадок к топливу представляет широкие возможности оперативно и гибко влиять на качество топлива и процессы горения. Затраты на приобретение и введение присадок в топливо дают немедленный экологический или экономический эффект [6].
Присадки вводятся в топливо в концентрации около 0,01 %. Факультативные характеристики топлив при этом не ухудшаются, а дымность и токсичность отработавших газов, как установлено в процессе стендовых испытаний в ведущих научных и учебных институтах страны, таких как ВНИИ НП, ЦНИДИ,; ЦНИИМФ, ИХП, НАМИ, НАМИ-ХИМ, никтид, НИЦИАМТ, 25 ГосНИИ МО РФ, ВИТУ, СПбГАУ, ВАТТ, ЭлИНП, ФГУП РНЦ «Прикладная химия», ООО ВНИИГидролиз, ЗАО «Академия прикладных исследований», Вятская ГСХА на двигателях различных типов, снижаются на 10.. .70 % в зависимости от режима работы.
Сравнительные испытания, проведенные на 1-цилиндровом дизеле с разделенной КС фирмы «Джон Дир» с рабочим объемом Vj, = 0,876 л и, є=16,5 показали высокую эффективность применения спиртово-топливных смесей [117]. Использовались топлива, содержащие 80 % ДТ и 10...98 % метанола, 10 % гексанола и 77,5 % ДТ, 15...95 % метанола, 7,5 % гексанола. Гексанол выполнял роль химического стабилизатора. Установлено, что при работе на топливах, содержащих метанол, значительно сокращается дымность ОГ и количество сажевых частиц. Вместе с тем, содержание NOx в ОГ несколько выше. Исследователи объясняют этот рост более длительным периодом задержки воспламенения топлива и более трудным его сгоранием.
Установлена возможность успешного применения в дизельном двигателе Detroit 8V71NN эмульсии метанола (до 30 % мас.) в дизельном топливе, получаемой с помощью механического эмульсификатора. Однако при содержании 20 % мае. метанола в дизельном топливе мощность двигателя снижается на 9,3 % и несколько понижается к.п.д., но одновременно с этим улучшается состав ОГ и уменьшается дымность выхлопа [118].
В Триестском университете (Италия) были проведены исследования по использованию смеси газойля с метанолом на серийном 4-цилиндровом дизеле с неразделенной КС без наддува мощностью N = 95 кВт. Впрыскивание топлива проводилось под давлением р = 20,6 МПа при постоянном угле опережения впрыскивания 21 до в.м.т. Для улучшения самовоспламенения применялся изопропилнитрат. Исследования показали, что удельный эффективный расход топлива растет с увеличением частоты вращения и содержания метанола в топливе. При работе дизеля с подачей 30 % метанола концентрация СО в ОГ изменялась в определенном диапазоне частот, концентрация СН уменьшалась. Установлен верхний предел содержания метанола в смеси, равный 35 % [111]. Увеличение метанола свыше этого значения ведет к увеличению жесткости работы дизеля и ухудшению показателей токсичности.
Работа дизеля возможна и при использовании водо-топливных эмульсий с добавлением эмульгаторов.
При испытании дизеля 6ЧН 16/22,5 на водо-топливной эмульсии установлено, что его можно форсировать на 15...25 % по мощности без заметного ухудшения динамических показателей и температурного состояния деталей цилиндропоршневой группы.
Влияние состава метаноло-топливной эмульсии на показатели процесса сгорания в цилиндре дизеля
В основу методики исследований положен сравнительный метод. Решение поставленных задач проводилось в четыре этапа [174].
На первом этапе предусматривалось определение влияния добавок широкодоступных ПАВ на стабильность метаноло-топливных эмульсий к седиментации и коалесценсии. Оптимизировался состав эмульсии. Производился выбор эмульгаторов. На втором этапе производились сравнительные испытания. работы топливной аппаратуры дизеля на дизельном топливе и: метаноло-топливной эмульсии. Определялись параметры работы и необходимые регулировки ТНВД. Целью третьего этапа исследований явилось получение параметров рабочего процесса дизеля путем индицирования, анализа эффективных и токсических показателей на основе регулировочных, скоростных и нагрузочных режимах при работе на ДТ. На четвертом этапе исследовалось изменение параметров рабочего процесса, эффективных и токсических показателей дизеля на основе регулировочных, скоростных и нагрузочных режимах при работе на метаноло-топливной эмульсии. Структурная схема проведения лабораторных исследований приме-нения метаноло-топливных эмульсий для дизеля 24 10,5/12,0 представлена на рисунке 3.1. При исследованиях использовалось дизельное топливо марки Л-05 по ГОСТ 305-82, дизельное масло М-10-Г2, метанол технический по ГОСТ 2222-95 и вода из водопроводной системы. Приготовление эмульсий и исследование их стабильности производилось при постоянных условиях. При проведении сравнительных испытаний работы топливной аппаратуры дизеля на ДТ и МТЭ необходимым условием явилось постоянство положения рейки ТНВД в каждом из исследуемых режимов.. Учитывая специфику работы тракторного дизеля 24 10,5/12,0, основными режимами исследований явилось номинальный скоростной режим при частоте вращения коленчатого вала 1800 мин 1 и режим максимального крутящего момента при частоте вращения коленчатого вала 1400 мин"1.
При индицировании рабочего процесса дизеля с различным соотношением компонентов эмульсии необходимым условием являлось сохранение одинаковых значений ре для каждого исследуемого скоростного режима. Это же условие выполнялось и при снятии скоростных характеристик, то есть на всех фиксируемых частотах вращения коленчатого вала поддерживалось одинаковое значение ре при работе на дизельном топливе и МТЭ с различным содержанием метанола. Величина ре определялась косвенным путем из показаний весового механизма загрузочного устройства. Все характеристики снимались при оптимальных значениях установочного угла опережения впрыскиваемого топлива. Одновременно со снятием характеристик производилось индицирование и газоанализ, а также отбор проб для определения дымности ОГ.
При монтаже оборудования и приборов, проведении исследований стабильности и стендовых испытаний, газовом анализе учитывались требования ГОСТа 18509-88, ГОСТа 17.2.1.03-84, ГОСТа 17.2.1.02-76, ГОСТа 17.2.2.01-84, ГОСТа 17.2.2.02-98, ГОСТа; 17.2.2.05-97, ГОСТа Р 17.2.2.06-99, ГОСТа Р 17.2.2.07-2000, ГОСТа Р ИСО 3046-1-99, ГОСТа РИСО 8178-7-99 [15...22, 159, 160].
Обработка индикаторных диаграмм рабочего процесса дизеля при работе на различных режимах и составах метаноло-тошшвной эмульсии осуществлялось с помощью ЭВМ по методике ЦНИДИ [161].
Отбор и анализ проб ОГ производился на автоматической системе газоанализа АСГА-Т с соблюдением всех требований согласно инструкции к прибору [162].
Перед началом проведения испытаний двигатель прогревался до температуры масла в поддоне в пределах 85...95 С. Температура окружающего воздуха и топлива во время опытов не превышала значений, указанных в технической документации завода-изготовителя. Техническое обслуживание дизеля проводилось в соответствии с инструкцией завода изготовителя. Мощность двигателя, крутящий момент, среднее эффектив ное давление и расходы топлива на различных скоростных режимах при-водились к стандартным атмосферным условиям, температуре и плотности топлива согласно ГОСТ 18509-88. после прогрева двигатель выводился на номинальный скоростной режим работы и определялись эффективные показатели. Этот режим являлся контрольным. Отклонения эффективных показателей дизеля более чем на 2 % свидетельствовали о нарушениях работы какой-либо системы двигателя, которые сразу же устранялись. После окончания испытаний дизель вновь выводился на контрольный режим, и показатели проверялись.
Для выравнивания температур дизель перед началом измерений работал на каждом режиме не менее 5 мин. Частота вращения коленчатого вала дизеля не отличалась от заданной более чем на 5 мин"1. Объем камеры сгорания при установке датчика индикатора для индицирования дизеля увеличивался за счет соединительного канала под датчиком не более, чем на 1 %, а отношение диаметра соединительного канала и его длине было больше 1.
Для уменьшения погрешностей измерений замер показателей при испытаниях в каждом опыте повторялся не менее 3 раз, а результат усреднялся. Таким же образом производился газоанализ и определение дымно-сти ОГ.
Методика исследований свойств метаноло-топливных эмульсий с присадками целенаправленного действия
Применение амикрома может быть оправдано для низкоконцентрированных метаноло-тошгавных эмульсий. Снижение в них присутствия метанола до 10 % повышает стабильность до начала седиментации до 25...30 минут, что вполне достаточно для работы дизеля, при условии, что МТЭ будет готовиться в его топливной системе. Использование амикрома в пределах, больших 0,5 %, нецелесообразно.
На рисунке 4.1,д приведены результаты исследований влияния присадки сукцинимид С-5А на стабильность метаноло-топливной эмульсии. Как видно из графика, сукцинимид является высокоэффективным эмульгатором эмульсий обратного типа, обеспечивающим их высокую стабильность. Так 0,5 % сукцинимида обеспечивает стабильность топлива, содержащего 40 % метанола в течении 5 часов. Стабильность МТЭ, приготавливаемых в этом опыте прямо пропорциональна содержанию ПАВ и обратно пропорциональна содержанию метанола в топливе. Полученные результаты позволяют говорить о возможности применения сукцинимида в качестве эмульгатора для приготовления метаноло-топливной эмульсии вне топливной системы дизеля [179, 182, 189].
В целях снижения износов трущихся поверхностей, контактирующих со спиртом, было исследовано несколько различных составов метаноло-топливных эмульсий. Учитывая, что попытки использовать производимые в мире антикоррозионные присадки не дали положительного эффекта, а также то обстоятельство, что присутствие различных соединений может в значительной степени ослаблять действие друг друга, в качестве одного из основных принималось условие синергетического взаимодействия присадок. Достаточно сложным является одновременное повышение воспламеняемости метаноло-топливной эмульсии без ухудшения других эксплуатационных свойств. Дело в том, что промоторы воспламенения - алкилнит-раты или органические пероксиды, как правило, токсичны, плохо влияют на уплотнительные материалы, отрицательно влияют на температурные характеристики ДТ, состав отработавших газов [107].
Использование эмульгаторов, близких по своей структуре к присадкам полифункционального действия - ПАВ на основе ненасыщенных алифатических жирных кислот С16 - Сі а и низших полифункциональных аминов позволили создать метаноло-топливную эмульсию с подобными свойствами [184].
Проведены исследования физико-химических свойств и стабильности смесей ДТ и метанола различного состава с применением присадок подобного типа: «Амикром МЧ - Л/98» и КС - 18, разработанных в лабораториях 25 ГосНИИ МО РФ для комплексного улучшения показателей -снижения износов, улучшения смазывающих свойств и повышения цетанового числа низкоцетановых топлив (рис,4.2). В опытах использовалась метаноло-топливная эмульсия, состоящая из 0,2 % ло-тошгавная эмульсия, состоящая из 0,2 % присадки КС - 18 и переменного количества сукцинимидной присадки С - 5 А.
В таблице 4.1, приведены данные плотности и кинематической вязкости различных составов МТЭ с использованием; названных композиций присадок.
Применяя: стабильные метаноло-топливные эмульсии, приготовленные заблаговременно, в качестве топлива для дизелей, необходимо знать их склонность к изменению однородности состава и время до полного разделения дисперсной системы на две фазы. С этой целью были проведены исследования стабильности МТЭ, приготавливаемых с применением присадок С - 5 А и КС - 18 к седиментации и коалесценции.
На рис. 4.3 приведены изотермы стабильности метаноло-топливной эмульсии к седиментации. Для исследований использовались МТЭ с наибольшим содержанием метанола - 50 % - как наиболее неустойчивые. Как видно из графика, содержание ПАВ изменяет время до начала седиментации, но практически не влияет на интенсивность протекания самого процесса. Так, выделение осадка у МТЭ, содержащих 0,5 % ПАВ начинается через 3 часа после приготовления, и заканчивается через 24 часа. У МТЭ, содержащих 1,0 и 2,0 % присадки явление седиментации несколько позже, но продолжается примерно с одинаковой интенсивностью и одинаковый промежуток времени. Во всех случаях выделение отстоя прекращается через 24...30 часов после приготовления МТЭ и выделения 30 % от первоначальной высоты столба пробы исследуемой метаноло-топливной эмульсии.
Результаты исследований работы топливной аппаратуры дизеля на дизельном топливе и метаноло-топливной эмульсии
Работа дизеля на метаноло-топливной эмульсии должна сопровождаться сохранением его мощностных и экономических показателей, присущих серийному дизелю. Выполнение этого условия может быть обеспечено определением оптимальных регулировок системы топливоподачи и режимов работы дизеля, С этой целью первоначально было установлено влияние состава топлива (по количеству введенного в неё метанола) на значения оптимального установочного угла опережения впрыскивания топлива [183, 185].
На рис. 4.5,а представлено изменение мощностных и экономических показателей дизеля 24 10,5/12,0 при различных значениях установочного угла опережения впрыскивания топлива и различном содержании метанола в МТЭ для частоты вращения 1800 мин"1. Из графика видно, что при работе дизеля на чистом ДТ оптимальным углом опережения впрыскивания топлива является 0В[1р = 30. Увеличение или уменьшение установочного угла от этого значения вызывает снижение эффективной мощности дизеля и повышение эффективного удельного расхода топлива. При работе дизеля на метаноло-топливной эмульсии с различным содержанием метанола характер изменения кривых удельного расхода топлива, эффективной мощности несколько изменяется.
Так, максимальные значения эффективной мощности достигаются при больших значениях 0Шф Например, при работе дизеля на МТЭ с содержанием 35% метанола, максимальные значения эффективной мощности и, крутящего момента достигаются при @впр = 32,.. 34.
В то же время минимальный ge соответствует 0впр = 32 и составляет 310 г/кВт ч. При изменении 0впр в ту или иную сторону ge возрастает.
С учётом лучшей экономичности работы дизеля и при максимальном значении эффективной мощности Nemax= 18 кВт при 0BnP = 34, этот угол можно считать оптимальным установочным углом опережения впрыскивания топлива для работы на МТЭ с содержанием 35 % метанола и присадок целенаправленного действия. Однако, из-за появления сильных стуков работа дизеля на таком режиме практически невозможна. В связи с этим оптимальным углом в этом случае необходимо считать 0ВПр = 30. Для работы дизеля на эмульсии с содержанием метанола 20 % этот угол также будет оптимальным. Содержание метанола из-за высокой жёсткости процесса сгорания было ограничено 35 %.
Содержание токсичных компонентов в отработавших газах дизеля 24 10,5/12,0 в зависимости от установочного угла опережения впрыскивания топлива для частоты вращения 1800 мин"1 представлено на рис. 4.5,6. Из графиков видно, что при изменении установочного угла опережения впрыскивания топлива содержание сажи в отработавших газах при работе на МТЭ возрастает незначительно, в то время как при работе на ДТ концентрация сажи существенно возрастает. Снижение выбросов сажи при работе на МТЭ на 35...48 % ниже, чем при работе на ДТ. Содержание оксидов азота при работе на МТЭ изменяется по зависимости, аналогичной зависимости дизельного процесса, то есть при увеличении угла выход оксидов азота возрастает. Работа дизеля на МТЭ сопровождается увеличением выбросов суммарных углеводородов - их содержание в ОГ на 24...37 % больше, чем при работе на ДТ. Изменение концентрации. СНХ в зависимости от установочного угла опережения впрыскивания топлива при работе на МТЭ уменьшается при увеличении установочного угла (от 0,26 % при установочном угле 22 градуса п.к.в., до 0,05 % при установочном угле 34 градуса п.к.в.). Изменение же концентрации СНХ в зависимости от установочного угла опережения впрыскивания топлива при работе на ДТ незначительно. Содержание СО в ОГ также снижается при увеличении угла при работе на МТЭ, в то время как при работе на ДТ наблюдается рост выхода СО. При работе дизеля на установочном углу 30...32 градусов п.к.в., СО при работе на МТЭ и ДТ совпадают и равны 0,04...0,05 %. При работе на метаноло-топливной эмульсии больше содержание в ОГ СОг во всем диапазоне изменения установочного угла опережения впрыскивания топлива..
На рисунке 4.6 представлены показатели процесса сгорания дизеля 24 10,5/12,0 в зависимости от установочного угла опережения впрыскивания топлива для номинальной частоты вращения 1800 мин"1.. Из графиков (рис. 4.6,а) видно, что при работе на МТЭ возрастает максимальное давление газов в цилиндре двигателя пропорционально работе дизеля на чистом ДТ. Так, при угле 0впр= 34 град п.к.в. и содержании в метаноло-тошшвной эмульсии метанола 20 и 35 % давление соответственно равно 8,321 МПа и 8,910 МПа, что соответственно на 5 и 13% выше, чем при работе на ДТ. Одновременно резко возрастает «жесткость» процесса сгорания и при впр= 34 град п.к.в. (dp/d(p)max и при работе на МТЭ с содержанием метанола 35 % превышает 1 МПа/град. Увеличивается угол, соответствующий периоду задержки воспламенениями степень повышения давления при работе на метаноло-топливной эмульсии. При установочном угле опережения впрыскивания топлива 30 град п.к.в. максимальное давление в цилин-дре дизеля при работе на дизельном топливе составляет 7,571 МПа, то при работе на МТЭ с содержанием метанола 20 и 35 % соответственно 7,725 МПа и 7,866 МПа, что уже на 3,5% выше чем при работе на дизельном топливе.
