Содержание к диссертации
Введение
1. Альтернативные топлива и актуальность их использования в дизелях 12
1.1. Основные проблемы использования в двигателях внутреннего сгорания топлив нефтяного происхождения 12
1.2. Виды альтернативных топлив и особенности их применения в дизелях 17
1.3. Цель работы и задачи исследования 27
2. Анализ путей применения рапсового масла в качестве топлива для дизелей 29
2.1. Анализ физико-химических свойств рапсового масла 29
2.2. Использование рапсового масла в качестве топлива в дизелях с разделенной камерой сгорания 41
2.3. Использование рапсового масла в качестве топлива в дизелях с неразделенными и полуразделенными камерами сгорания 53
Основные результаты и выводы по второй главе 62
3. Оптимизация состава смесевого биотоплива для транспортного дизеля 64
3.1. Методика оптимизации состава смесевого биотоплива 64
3.2. Методика определения базовой характеристики оптимального соотношения компонентов смесевого биотоплива 72
Основные результаты и выводы по третьей главе 81
4. Регулирование состава смесевого биотоплива в транспортном дизеля 83
4.1. Разработка устройства регулирования состава смесевого биотоплива 83
4.2. Методика расчета устройства регулирования состава смесевого биотоплива 89
4.3. Экспериментальные исследования устройства регулирования состава смесевого биотоплива 104
Основные результаты и выводы по четвертой главе 109
Основные выводы и заключение 110
Список литературы
- Основные проблемы использования в двигателях внутреннего сгорания топлив нефтяного происхождения
- Использование рапсового масла в качестве топлива в дизелях с разделенной камерой сгорания
- Методика определения базовой характеристики оптимального соотношения компонентов смесевого биотоплива
- Методика расчета устройства регулирования состава смесевого биотоплива
Введение к работе
В настоящее время в России ежегодно потребляется около 100 млн. тонн моторных топлив, производимых из нефти. При этом автомобильный транспорт является одним из основных потребителей нефтепродуктов и останется главным потребителем моторных топлив на период до 2040-2050 г.г. В ближайшей перспективе ожидается увеличение потребления нефтепродуктов при примерно постоянных объемах их производства и нарастающий дефицит моторных топлив.
Эти факторы привели к необходимости реконструкции топливно-энергетического комплекса путем более глубокой переработки нефти, применения энергосберегающих технологий, перехода на менее дорогостоящие виды топлив. Поэтому одним из основных путей совершенствования двигателей внутреннего сгорания, остающихся основными потребителями нефтяных топлив, является их адаптация к работе на альтернативных топливах.
Использование на транспорте различных альтернативных топлив обеспечивает решение проблемы замещения нефтяных топлив, значительно расширит сырьевую базу для получения моторных топлив, облегчит решение вопросов снабжения топливом транспортных средств и стационарных установок. Возможность получения альтернативных топлив с требуемыми физико-химическими свойствами позволит целенаправленно совершенствовать рабочие процессы дизелей и, тем самым, улучшить их экологические и экономические показатели. При этом особую значимость имеют альтернативные топлива из возобновляемых источников энергии (растительные масла, отходы сельскохозяйственного производства и пищевой промышленности, биомасса), позволяющие решить проблему снижения выбросов в атмосферу углекислого газа.
В последнее время все более широкое распространение получают альтернативные биотоплива на основе растительных масел (рапсового, соевого, подсолнечного, арахисового, пальмового) и их производных. Интенсивные работы по переводу дизелей на биотопливо ведутся как в странах с ограниченным энергетическим потенциалом, так и в странах с большими запасами нефтяного топлива, а также в высокоразвитых странах, имеющих финансовую возможность приобретения нефтяных энергоносителей.
В настоящее время в Европе (Германия, Франция, Австрия и др. страны) ежегодно производится более 1,5 млн. т биотоплива. Это - смесевое биотопливо, содержащее до 10 % сложного метилового эфира, получаемого из рапсового масла.
Но следует отметить, что метиловый эфир рапсового масла является химически активной жидкостью, поэтому при его использовании в качестве самостоятельного топлива или как добавки к дизельному топливу топливные баки, топливопроводы и другие элементы конструкции, контактирующие с эфиром, подвергаются коррозионному действию этого топлива. Кроме того, метиловый эфир рапсового масла несколько дороже исходного растительного масла. С этой точки зрения более предпочтительно использование рапсового масла, имеющего меньшую стоимость и отличающегося высокими экологическими качествами. При этом для компенсации различий физико-химических свойств рапсового масла и дизельного топлива целесообразно применять смеси указанных топлив (смесевые биотоплива).
Диссертационная работа посвящена проблемам улучшения эксплуатационно-технических показателей транспортного дизеля путем использования в качестве топлива рапсового масла. В диссертации приведены результаты экспериментальных исследований дизелей с разделенной и полуразделенной камерами сгорания, работающих на топливах на основе рапсового масла. Оценено влияние состава смесевого биотоплива на показатели топливной экономичности и токсичности отработавших газов дизеля. Разработана методика оптимизации состава смесевого биотоплива с целью обеспечения благоприятного сочетания показателей топливной эко номичности и токсичности отработавших газов дизельного двигателя. Разработана методика определения базовой характеристики регулирования оптимального соотношения компонентов смесевого биотоплива в зависимости от режима работы дизеля. Разработано устройство, позволяющее реализовать оптимизированные характеристики состава смесевого биотоплива. Разработана методика расчета устройства регулирования состава смесевого биотоплива и проведены его экспериментальные исследования.
Актуальность диссертационной работы обусловлена необходимостью замещения нефтяных моторных топлив альтернативными топливами. При этом одними из наиболее перспективных альтернативных топлив считаются топлива на основе растительных масел. Для условий европейской части России наиболее подходящей масличной культурой является рапс: с одного гектара посевов рапса можно получить до 3 т маслосемян (до 1,0 т рапсового масла). Использование рапсового масла в качестве топлива для дизелей осложняется отличиями физико-химических свойств этого масла от свойств товарного дизельного топлива, которые приводят к изменению параметров процессов впрыскивания топлива и смесеобразования. Отчасти эти отличия могут быть скомпенсированы путем использования смесевого биотоплива, представляющего собой смесь традиционного дизельного топлива с рапсовым маслом. Сложность решения проблемы организации названных процессов при использовании в качестве топлива чистого рапсового масла или смесевого биотоплива усугубляется многорежимностью транспортного дизеля и различным характером протекания рабочего процесса на различных режимах работы. Поэтому повышение качества рабочего процесса в широком диапазоне эксплуатационных режимов может быть достигнуто за счет согласования состава смесевого биотоплива с режимом работы дизеля.
При разработке системы автоматического регулирования состава смесевого биотоплива необходимо провести экспериментальные исследования транспортного дизеля, работающего на смесевых биотопливах различного состава в широком диапазоне скоростных и нагрузочных, и определить базовую характеристику состава смеси, оптимизированную по топливной экономичности и токсичности отработавших газов. Реализация полученной характеристики состава смесевого биотоплива соответствующей системой автоматического регулирования позволит существенно улучшить эффективные и экологические показатели транспортных дизелей. Результаты этих исследований могут быть использованы при разработке комплекса мероприятий, обеспечивающих перспективные требования к токсичности ОГ при достижении повышенных показателей дизелей по топливной экономичности.
Цель работы: улучшение экологических характеристик дизеля регулированием состава смесевого биотоплива.
Методы исследований. Поставленная в работе цель достигается сочетанием экспериментальных и теоретических методов исследования. Экспериментальная часть работы заключалась в определении возможности работы транспортных дизелей с разделенной и полуразделенной камерами сгорания работы на топливах на основе рапсового масла, а также в проверке работоспособности устройства регулирования состава смесевого биотоплива. С помощью теоретических методов проведены оптимизация состава смесевого биотоплива и определение базовой характеристики регулирования оптимального соотношения компонентов смесевого биотоплива.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- разработана методика оптимизации состава смесевого биотоплива с целью обеспечения благоприятного сочетания показателей топливной экономичности и токсичности отработавших газов дизельного двигателя;
- разработана методика определения базовой характеристики регулирования оптимального соотношения компонентов смесевого биотоплива в зависимости от режима работы дизеля;
- разработаны оригинальное устройство регулирования состава смесевого биотоплива и методики расчета этого устройства.
Достоверность и обоснованность научных положений определяются:
- использованием современных методик оптимизации параметров дизеля, в частности состава смесевого биотоплива;
- совпадением результатов расчетных и экспериментальных исследований, полученных при испытаниях на развернутом дизеле, работающем на смесевом биотопливе.
Практическая ценность состоит в том, что:
- подтверждена возможность работы дизелей с разделенной и полуразделенной камерами сгорания на топливах на основе рапсового масла и показана возможность улучшения показателей топливной экономичности и токсичности отработавших газов этих дизелей;
- разработанная методика оптимизации состава смесевого биотоплива позволяет определить его состав, обеспечивающий благоприятное сочетание показателей топливной экономичности и токсичности отработавших газов дизеля;
- разработаны методика, позволяющая определить базовую характеристику регулирования оптимального соотношения компонентов смесевого биотоплива, и устройство, позволяющее реализовать оптимизированные характеристики состава смесевого биотоплива;
- разработана методика расчета устройства регулирования состава смесевого биотоплива.
Реализация результатов работы. Работа проводилась в соответствии с планами госбюджетных и хоздоговорных работ кафедр «Поршневые двигатели» (Э-2) и «Теплофизика» (Э-6) МГТУ им. Н.Э. Баумана, а также лаборатории 2.4.3 «Автоматика» НИИЭМ МГТУ им. Н.Э. Баумана. Результаты исследований внедрены в МГАУ им. В.П. Горячкина и ЗАО «Дизель-КАР» (г. Москва).
Апробация работы:
Диссертационная работа заслушана и одобрена на заседании кафедры «Поршневые двигатели» в МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2008 г.
По основным разделам диссертационной работы были сделаны доклады:
- на международной научно-технической конференции «3-й Луканин-ские чтения. Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе», 30-31 января 2007 г., Москва, ГТУ «МАДИ»;
- на международной конференции «Двигатель-2007», посвященной 100-летию школы двигателестроения МГТУ им. Н.Э. Баумана, 19-21 сентября 2007 г., Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана;
- на Всероссийском научно техническом семинаре (ВНТС) им. проф. В.И. Крутова по автоматическому управлению и регулированию теплоэнергетических установок при кафедре «Теплофизика» (Э-6) МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2007 и 2008 г.г., Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 5 статей (из них 3 - по перечню, рекомендованных ВАК), 4 материала конференций, 1 заявка на изобретение [34,35,36,37,56,60,61,62,88].
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и заключения, списка использованной литературы и приложения. Общий объем работы 125 страниц, включая 112 страниц основного текста, содержащего 30 рисунков и 18 таблиц. Список литературы включает 123 наименования на 13 страницах. На 2 страницах приведены документы о внедрении результатов работы.
Основные проблемы использования в двигателях внутреннего сгорания топлив нефтяного происхождения
Альтернативными топливами принято считать любые виды топлива, отличающиеся от традиционного (нефтяного) способом получения или физико-химическими свойствами. Альтернативные топлива, применяемые в дизелях, можно разделить на производимые из невозобновляемых и возобновляемых источников энергии. К невозобновляемым источникам энергии относятся природный газ, попутный нефтяной газ, уголь, горючие сланцы и нефтеносные (битуминозные) пески [11,40,63]. Следует отметить, что запасы указанных сырьевых ресурсов в несколько раз превосходят запасы нефти [53]. К возобновляемым сырьевым ресурсам можно отнести растительную биомассу, животные жиры, растительные масла и др.
Указанные энергетические ресурсы могут использоваться в качестве топлива, как в исходном состоянии, так и служить сырьем для получения синтетических моторных топлив, спиртов и эфиров. В настоящее время из названных альтернативных сырьевых ресурсов наибольшее распространение получили сжиженные нефтяные газы - пропан и бутан [57]. В США около 90 % всех газобаллонных автомобилей используют именно пропан-бутановую смесь (около 400 тыс. единиц) [69]. В России потребление сжиженного нефтяного газа в виде моторного топлива в 2005 году составило 8,9 млн. т [57,69]. Достаточно широкое применение в настоящее время находит ком-примированный природный газ [11-13,40]. В 2003 году мировой парк автомобилей работающих на сжатом природном газе составил около 3 млн. ед. (в России - 36 тыс. ед.) [73]. Необходимо отметить, что разведанных рентабельных запасов природного газа по прогнозам специалистов должно хватить на 70 лет [52], при этом 45 % мировых запасов газа сосредоточено в России.
Сжиженный нефтяной и природный газ, а также битуминозные пески, горючие сланцы и каменный уголь могут использоваться как сырье для производства синтетических моторных топлив. Причем разведанные запасы битуминозных песков и горючих сланцев составляют 460 млрд. т, а прогнозируемые - 26 трлн. т [11,63]. Достоверные мировые запасы каменного угля составляют 16 трлн. т, которых при современном уровне добычи может хватить на 200-250 лет [86]. Необходимо отметить, что в качестве топлива для дизелей каменный уголь может использоваться в виде угольной пыли или ее смеси с дизельным топливом.
Синтетическое моторное топливо получают путем окисления природного газа, угля или другого углеводородного сырья в присутствии катализа 19 тора до синтез-газа, содержащего монооксид углерода и водород. Затем из полученного синтез-газа синтезируют моторное топливо с использованием процесса Фишера-Тропша или Мобил-процесса [52,69]. Причем из 1 м3 синтез-газа получают 120-200 г жидких углеводородов. Далее полученные углеводороды, смешивая их между собой или с нефтяными топливами, используют в ДВС. Однако стоимость производства синтетического моторного топлива пока выше чем традиционного нефтяного топлива [69]. Из указанных сырьевых ресурсов могут быть получены спиртовые топлива и эфиры: метиловый спирт (метанол), этиловый спирт (этанол) и диметиловый эфир.
Из горючих сланцев синтетические моторные топлива получают путем термического разложения сланцев с выделением сланцевой смолы, выход которой составляет 18-20 % массы исходного сырья. Легкие фракции этой смолы используют для производства топлив, близких по свойствам к стандартным дизельным топливам [42,43].
Использование описанных выше топлив из невозобновляемых сырьевых ресурсов имеет значительный недостаток, заключающийся в том, что эти ресурсы постепенно истощаются. В связи с этим большими перспективами обладают такие источники энергии как биомасса, животные жиры и растительные масла. Следует отметить, что биомасса может быть использована в качестве топлива для дизелей только после ее переработки. Она является сырьем для производства синтетических моторных топлив и спиртов по описанным выше процессу Фишера-Тропша и Мобил-процессу. Из 1 кг сырья синтезируется 120-150 г жидких углеводородов - компонентов моторных топлив [66].
Растительные масла могут использоваться в качестве топлива для дизелей в чистом виде или в смеси с нефтяным топливом, а также служить сырьем для получения сложного метилового или этилового эфиров. В 1992 г на рынок Западной Европы поступило около 1 млн. т топлива, являющегося продуктом переработки растительного масла, в настоящее время эта цифра увеличилась в несколько раз [57].
Если проблема дефицита моторных топлив однозначно решается в пользу альтернативных топлив из возобновляемых источников растительного происхождения, то проблема снижения токсичности ОГ дизелей имеет различные решения, определяемые тем или иным видом топлива. Возникает также проблема, связанная с разработкой конструктивных решений, позволяющих дизелю работать на том или ином альтернативном топливе с требуемыми показателями топливной экономичности и токсичности ОГ.
Использование рапсового масла в качестве топлива в дизелях с разделенной камерой сгорания
Ряд проблем, возникающих при работе дизелей на РМ, можно решить при сжигании его в двигателях с разделенными КС. Особенностью дизелей с разделенными КС является меньшая чувствительность к изменению свойств применяемого топлива (к несколько худшей самовоспламеняемости РМ и др.). Как отмечено выше, работа дизелей в значительной степени зависит от таких физических свойств топлива как плотность, вязкость и поверхностное натяжение. В частности, из-за увеличения длины струй распыливаемого рапсового масла часть его попадает на относительно холодные стенки КС и не сгорает полностью. Следствием этого является возможная потеря подвижности поршневых колец. Попадание значительного количества РМ в моторное масло может привести к ухудшению его смазывающих свойств, образованию густого осадка, необходимости частой замены моторного масла. Эта проблема характерна для малоразмерных дизелей (с диаметром цилиндра менее 100 мм), в которых длина струй распыливаемого топлива превышает расстояние от распиливающих отверстий до стенок цилиндра. В дизелях с разделенными КС первоначальное впрыскивание РМ в предкамеру или вихревую камеру, изолированные от основной камеры сгорания, позволяет исключить попадание РМ на стенки цилиндра, улучшить условия работы деталей цилинд-ропоршневой группы и исключить загрязнение моторного масла.
Одной из основных проблем обеспечения работы дизелей на РМ является отложение кокса на распылителе форсунки, обусловленное повышенной коксуемостью РМ из-за значительного содержания в нем смолистых веществ (см. табл. 5). Использование в дизелях с разделенной КС штифтовых форсунок с подвижным штифтом и достаточно большой изменяемой площадью распыливающего отверстия препятствует закоксовыванию распылителей. Таким образом, дизели с разделенными КС в большей степени приспособлены к работе на растительных маслах.
Для оценки экономических и экологических показателей дизеля с разделенной КС, работающего на рапсовом масле, проведены испытания дизеля ВАЗ-341 (4 Ч 7,6/8,4) завода «БарнаулТрансМаш», устанавливаемого на легковые автомобили ВАЗ-21045. Исследуемый дизель без наддува имел рабочий объем iV=l,52 л, степень сжатия е=23, мощность Ne= 40 кВт при п=4800 мин"1 [94]. Дизель был оснащен топливной аппаратурой фирмы R. Bosch, включающей топливный насос высокого давления типа VE и штифтовые форсунки, отрегулированные на давление начала впрыскивания рф0=12,5 МПа [17,94].
В дизеле ВАЗ-341 организовано вихрекамерное смесеобразование. Для этого в головке блока цилиндров установлена вихревая камера (рис. 2.6,а). Топливо, впрыскиваемое форсункой 1 в вихревую КС 2, распределяется по объему этой камеры потоком вращающегося воздуха, поступающего в вихревую камеру из цилиндра двигателя на такте сжатия. Затем полученная топ-ливовоздушная смесь из вихревой камеры 2 через тангенциальный канал поступает в основную камеру 4. На двигателе установлены штифтовые форсунки (рис.2.6,6), характеризуемые большой изменяемой площадью распы-ливающего отверстия и меньшей склонностью к закоксовыванию распыли-вающего отверстия в сравнении с закрытыми форсунками.
Таким образом, образование топливовоздушной смеси и ее последующее самовоспламенение в дизеле ВАЗ-341 происходит, в основном, за счет организация интенсивного движения воздушного заряда, действия горячих поверхностей и истечения горячих газов из дополнительной в основную КС, а не за счет повышения давления впрыскивания, как это происходит в дизелях с неразделенными КС. При этом обеспечивается достаточно полное сгорание топлива при сравнительно низком коэффициенте избытка воздуха (a= 1,2-1,3). Отличительной особенностью двигателя с вихревой КС является возможность обеспечения более мягкого сгорания топлива в основной камере с небольшими скоростями нарастания давления при сгорании и низким максимальном давлении сгорания. В дизеле ВАЗ-341 отмечается меньшая шумность работы и несколько худшая топливная экономичность по сравнению с дизелями с непосредственным впрыскиванием топлива, обусловленная повышенными потерями при перетекании заряда из основной КС в дополнительную камеру и обратно, а также значительной поверхностью вихревой КС, граничащей с головкой цилиндра. Последнее обстоятельство увеличивает тепловые потери в процессе рабочего цикла дизеля ВАЗ-341.
Методика определения базовой характеристики оптимального соотношения компонентов смесевого биотоплива
Для определения такой базовой характеристики необходимо провести оптимизацию состава смесевого биотоплива на каждом режиме 13-ступенчатого испытательного цикла ЕСЕ R49 для оценки токсичности ОГ. Как и в предыдущем разделе в качестве объекта исследования был выбран дизеля Д-245.12С. Для оптимизации использованы экспериментальные данные рис. 3.2 по работе этого дизеля на четырех видах топлива: чистое дизельное топливо и три вида смесевого топлива, состоящего из дизельного топлива и рапсового масла в соотношениях 4:1, 3:2 и 2:3. Эти экспериментальные данные сведены в табл. 9-12.
Оптимизация проводилась с использованием метода свертки в соответствие с выражениями (3.1) и (3.2). При этом частные критерии оптимальности рассчитывались по следующим зависимостям Т _ЦеО_ т _ NOx г _ СО г _ СНх /о і \ J пе NOx — р J СО — р J СНх — р 5 1У х х / Me NOxO СОО СНхО где Ге - эффективный КПД двигателя, работающего на данном виде топлива; т]ео — эффективный КПД двигателя при его работе на чистом дизельном топливе; ENOx, ЕСо, ЕСнх массовые выбросы оксидов азота, монооксида углерода и углеводородов с ОГ двигателя, работающего на данном виде топлива, г/ч; ENOxo, Есо(ь ECHXO — значения массовых выбросов оксидов азота, монооксида углерода и углеводородов при работе двигателя на чистом дизельном топливе, г/ч.
Весовые коэффициенты частных критериев оптимальности, входящих в выражение (3.2), определялись по изложенной в разделе 3.1 методике по выражениям 3.4 и оказались равными a ljO, aNox=l,063, аСо=0,871, аСнх=1,381 (см. табл. 7). Эти значения весовых коэффициентов принимались одинаковыми для всех исследуемых видов топлива и для всех режимов 13-ступенчатого испытательного цикла.
Оптимизация состава смесевого топлива во всем поле эксплуатационных режимов работы дизеля Д-245-12С с использованием выражений (3.2), (3.4) и (3.11) проводится путем последовательного обхода пространства изменения частоты вращения коленчатого вала п и эффективного крутящего момента двигателя Ме и вычисления в каждой узловой точке (в каждой точке 13-ступенчатого испытательного цикла) значений обобщенного критерия оптимальности J0 при различных составах топлива. Затем в каждой узловой точке определяется состав топлива, при котором обобщенный критерий принимает свое минимальное значение. Этот состав топлива и принимался за оптимальный. Полученные в результате такой оптимизации значения обобщенного критерия оптимальности J0 для каждого из режимов 13-ступенчатого испытательного цикла для дизеля Д-245.12С, работающего на исследуемых топливах, а также распределение оптимальных составов топлива приведено в табл. 13 и на рис. 3.3.
Далее в соответствие с выражениями (3.2), (3.5)-(3.7), (3.9) и (3.10) рассчитаны эффективные показатели работы дизеля, значения удельных выбросов основных нормируемых токсичных компонентов и обобщенный критерий оптимальности при работе дизеля на чистом дизельном топливе, смесе-вых топливах постоянного и переменного состава. Результаты этих расчетов приведены в табл. 14 и на рис. 3.4.
Приведенные в табл. 14 и на рис. 3.4 данные свидетельствуют о том, что реализация оптимальных составов топлива на каждом из режимов 13-ступенчатого испытательного цикла (т.е. работа двигателя на топливе переменного состава) обеспечивает минимальное значение обобщенного критерия оптимальности (J0=3,644). Сопоставление показателей дизеля Д-245.12С, работающего на топливах постоянного и переменного составов показывает, что наилучшие показатели обеспечиваются при использовании в качестве топлива для дизеля Д-245.12С смеси дизельного топлива и рапсового масла с составом, переменным в зависимости от режима работы двигателя.
Полученное при расчетно-экспериментальных исследованиях распределение оптимальных составов топлива на режимах 13-ступенчатого испытательного цикла ЕСЕ R49 (см. табл. 13 и рис. 3.3) использовано для построения базовой характеристики оптимального соотношения компонентов смесевого биотоплива. Полученная таким образом базовая характеристика оптимального состава смесевого биотоплива представлена на рис. 3.5а.
Полученная базовая характеристика оптимального соотношения компонентов смесевого биотоплива (см. рис. 3.5а), свидетельствует о том, что на режимах внешней скоростной характеристики дизеля Д-245.12С (при Ме=100 %) наиболее оптимальным является использование смесевых топлив с содержанием ДТ и РМ в пропорции 2:3 (Срм=60 %). Смесевые биотоплива с большим содержанием РМ (СРМ=60 и 40 %) целесообразно использовать и на различных нагрузочных режимах при номинальной частоте вращения коленчатого вала дизеля (и=2400 мин" ). На режимах с пониженной частотой вращения коленчатого вала дизеля (при п 1500 мин" ) и неполной нагрузкой (при Ме 75 %), отличающихся пониженным качеством процесса смесеобразования, желательно перевести двигатель на работу на чистом дизельном топливе.
Методика расчета устройства регулирования состава смесевого биотоплива
Расчет смесителя выполнен с использованием современных методик расчета гидравлических систем регулирования. При этом использованы уравнения гидродинамики, приведенные в работах [17,92,94]. Применительно к системе топливоподачи с ТНВД типа УТНМ производства НЗТА и многоструйными форсунками ФДМ-22, расчетная схема, которой представлена на рис. 4.4, системы уравнений, описывающих процесс топливоподачи, выглядит следующим образом.
Для определения давления топлива рт в сечении 13 (рис. 4.4) на выходе из штуцера ТНВД (во входном сечении топливопровода 14) используется система уравнений в виде Px=pTo+[F(t)-e-ktW(t)]; (4.1) cT=l/(apT)[F(t)+e-ktW(t)], где рт 0—Рост - начальное давление в топливопроводе перед нагнетанием топлива; с0 - начальная скорость движения топлива F(t) - прямая волна давления от ТНВД к форсунке; W(t) - отраженная волна давления от форсунки к ТНВД; к - фактор гидравлического сопротивления, характеризующий затухание распространяемых волн вследствие гидравлического сопротивления в топливопроводе высокого давления.
Системы уравнений (4.1), (4.2) решаются совместно с уравнениями граничных условий у насоса, смесителя и форсунки. Уравнения граничных условий у насоса применительно к разделенной топливной системе на рис. 4.4, записываются следующим образом.
Уравнение мгновенного баланса топлива в надплунжерной полости 5 ТНВД имеет следующий вид aTV„(dpH/dt)=fncI1-a0a0foV 2/рт I Рн Рвс I -aKaIufUIV 2/рт р н Рн I Гк Ск, (4.3) где р„ и VH - давление и объем топлива, сосредоточенного в надплунжерной полоси 5 (рис. 4.4); рвс и рн - давления в наполнительной полости 3 и полости 9 штуцера 12; с„ и ск - скорости плунжера 2 и нагнетательного клапана 6; fn и f0 - площади поперечного сечения плунжера 2 и отверстий 4 втулки плунжера; fK и Гщ - площади поперечного сечения по пояску 7 нагнетательного клапана и сечения в щели между клапаном 6 и седлом 8; ц.0 и и.щ, ц.дКВ - коэффициенты расходов дросселирующих сечений f0 и ґщ, Go и ак - логические функции, указывающие направление движения топлива (ст0= 1 при р„ рвс и а0=-1 при рн рвс; ак=1 при р„ р„ и ак= -1 при р„ р„ ).
Правая часть уравнения (4.3) определяет количество топлива, остающегося в объеме V„ в сжатом состоянии, первое слагаемое правой части характеризует объемную скорость выталкивания топлива плунжером, второе слагаемое - объемную скорость перетекания топлива через проходное сечение наполнительных (отсечных) отверстий 4 втулки, третье слагаемое - объемную скорость перетекания топлива через щель между клапаном 6 и седлом 8, четвертое слагаемое - скорость заполнения топливом (или вытеснения топлива) объема, освобождаемого клапаном при его поднятии (или опускании).
Уравнение мгновенного баланса топлива в полости 9 штуцера 12 ТНВД записывается в виде aTV H (арп /сІІ акЦ.цГщл/ 2/рт рн-р„ I +fK ск fT ст, (4.4) где рн и V„ - давление и объем топлива, сосредоточенного в полости 9 (рис. 4.4); ст и fT- скорость движения топлива на входе в топливопровод 14 и площадь поперечного сечения топливопровода.
Правая часть уравнения (4.4) характеризует количество топлива, остающегося в объеме VH , первое слагаемое правой части определяет количество топлива, поступающего в объем V„ через проходное сечение под разгружающим пояском 7 нагнетательного клапана 6, второе слагаемое показывает, какое количество топлива вытесняет в объем VH нагнетательный клапан, третье слагаемое характеризует количество топлива, поступающего в нагнетательный топливопровод 14 через его входное сечение f,. Уравнение (4.4) одновременно является и уравнением баланса топлива для входного сечения 13 топливопровода 14.
Уравнения (4.3) и (4.4) граничных условий у насоса дополнено уравнением динамического равновесия сил, действующих на нагнетательный клапан 6 насосной секции ТНВД: mK(dhK2/dt2)+5 hK+fK pK0=fK (рн-р,/), (4.5) где mK - масса нагнетательного клапана, hK - его перемещение; рко - давление в насосе в момент начала движения клапана; 5 - жесткость пружины нагнетательного клапана.
Первое слагаемое уравнения (4.5), описывающее движение нагнетательного клапана, характеризует силу инерции массы клапана и движущихся с ним частей. Второе слагаемое учитывает действие на клапан силы упругости пружины 10. Третье слагаемое описывает силу начальной деформации пружины. Указанные силы уравновешиваются силой, определяемой разностью давлений р„-р„ и стремящейся оторвать клапан 6 от седла.
