Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследований 13
1.1 Перспективы применения рапсового масла и метилового эфира рапсового масла в автотракторных дизелях 13
1.2 Перспективы применения метилового спирта в автотракторных дизелях 19
1.3 Анализ работ по применению МЭРМ и рапсового масла в автотракторных дизелях 22
1.4 Анализ работ по применению метанола в автотракторных дизелях с использованием ДСТ 26
1.5 Снижение токсичности отработавших газов автотракторных дизелей при использовании метанола и МЭРМ 28
1.6 Влияние топлив на основе метанола и МЭРМ на выбросы оксидов азота в отработавших газах автотракторных дизелей 31
1.7 Механизмы образования оксидов азота в цилиндре дизеля 35
1.8 Задачи исследования 41
2 Теоретические исследования процесса образования оксидов азота в дизеле при использовании качестве топлива метанола и МЭРМ с ДСТ 42
2.1 Уточненная математическая модель расчета содержания оксидов азота в цилиндре и ОГ дизеля 2Ч 10,5/12,0 при использовании качестве топлива метанола и МЭРМ с ДСТ 42
2.2 Результаты теоретических расчетов образования оксидов азота в двигателе 2Ч 10,5/12,0 при использовании в качестве топлива метанола и МЭРМ с ДСТ 57
3 Программа и методика исследований 68
3.1 Объект испытаний 68
3.2 Методика проведения стендовых испытаний по снижению выбросов оксидов азота в отработавших газах двигателя 2Ч 10,5/12,0 при использовании в качестве топлива метанола и МЭРМ с ДСТ 71
3.3 Экспериментальное оборудование, применяемое для исследования двигателя 2Ч 10,5/12,0 76
3.4 Методика обработки результатов исследований и ошибки измерений 83
4 Снижение выбросов оксидов азота в двигателе 2ч 10,5/12,0 при использовании в качестве топлива метанола и МЭРМ с ДСТ 87
4.1 Исследование экономических, токсических показателей и показателей рабочего процесса двигателя 2Ч 10,5/12,0 при использовании в качестве топлива метанола и МЭРМ с ДСТ на различных установочных УОВТ 87
4.1.1 Исследование экономических показателей двигателя 2Ч 10,5/12,0 при использовании в качестве топлива метанола и МЭРМ с ДСТ на различных установочных УОВТ 87
4.1.2 Исследование индикаторных показателей и показателей процесса сгорания двигателя 2Ч 10,5/12,0 при использовании в качестве топлива метанола и МЭРМ с ДСТ на различных установочных УОВТ 89
4.1.3 Экспериментальные исследование выбросов оксидов азота двигателя 2Ч 10,5/12,0 при использовании в качестве топлива метанола и МЭРМ с ДСТ на различных установочных УОВТ 95
4.1.4 Теоретические исследование выбросов оксидов азота двигателя 2Ч 10,5/12,0 при использовании в качестве топлива метанола и МЭРМ с ДСТ на различных установочных УОВТ 97
4.2 Исследование эффективных и токсических показателей двигателя 2Ч 10,5/12,0 при использовании в качестве топлива метанола и МЭРМ с ДСТ в зависимости от изменения нагрузки и частоты вращения 103
4.3 Исследование показателей процесса сгорания, объемного содержания и массовой концентрации оксидов азота двигателя 2Ч 10,5/12,0 с использованием в качестве топлива метанола и МЭРМ с ДСТ при изменении угла поворота коленчатого вала 113
4.3.1 Исследование показателей процесса сгорания, объемного содержания и массовой концентрации оксидов азота двигателя 2Ч 10,5/12,0 с использованием в качестве топлива метанола и МЭРМ с ДСТ на номинальной частоте вращения при изменении угла поворота коленчатого вала 113
4.3.2 Исследование показателей процесса сгорания, объемного содержания и массовой концентрации оксидов азота двигателя 2Ч 10,5/12,0 с использованием в качестве топлива метанола и МЭРМ с ДСТ на частоте вращения максимального крутящего момента при изменении угла поворота коленчатого вала 120
4.4 Исследование показателей процесса сгорания, объемного содержания и массовой концентрации оксидов азота двигателя 2Ч 10,5/12,0 с использованием в качестве топлива метанола и МЭРМ с ДСТ при различных нагрузочных и скоростных режимах 126
5 Технико-экономическая оценка эффективности использования метанола и мэрм с дст в дизеле 2ч 10,5/12,0. 133
Выводы и рекомендации 142
Основные условные обозначения и сокращения 144
Литература
- Перспективы применения метилового спирта в автотракторных дизелях
- Результаты теоретических расчетов образования оксидов азота в двигателе 2Ч 10,5/12,0 при использовании в качестве топлива метанола и МЭРМ с ДСТ
- Экспериментальное оборудование, применяемое для исследования двигателя 2Ч 10,5/12,0
- Исследование индикаторных показателей и показателей процесса сгорания двигателя 2Ч 10,5/12,0 при использовании в качестве топлива метанола и МЭРМ с ДСТ на различных установочных УОВТ
Введение к работе
Актуальность темы. Одной из экологических проблем в настоящее время является загрязнение воздуха вредными выбросами автомобильного транспорта. Применение альтернативных топлив позволит улучшить экологическую обстановку и снизить токсичность отработавших газов автотракторной техники. Поскольку большинство грузовых автомобилей, промышленной тяжелой техники, а также техники сельскохозяйственного назначения оснащаются дизелями, необходимо совершенствовать их с целью улучшения экологических, экономических и эффективных показателей. В соответствии с указом Президента РФ от 07.07.2011 № 899 «Об утверждении приоритетных направлений развития науки, технологии и техники в Российской Федерации и перечня критических технологий Российской Федерации», приоритетными являются исследования, направленные на применение альтернативных видов топлива. Вместе с тем важным фактором в развитии двигателестроения является исследование возможности использования новых видов моторного топлива не нефтяного происхождения, получать которые можно из возобновляемых источников.
Поэтому исследование, направленное на использование альтернативных видов топлива (метанола и метилового эфира рапсового масла) в автотракторном дизеле, полностью позволяющее заменить нефтяное моторное топливо и существенно снизить уровень содержания оксидов азота и дымность отработавших газов, является актуальной научной задачей, имеющей важное народнохозяйственное значение.
Объект диссертационного исследования – тракторный дизель 2Ч 10,5/12,0 воздушного охлаждения с полусферической камерой сгорания в поршне, работающий на метаноле и метиловом эфире рапсового масла при впрыскивании (в качестве запального топлива) через штифтовую форсунку с использованием двойной системы топливоподачи.
Предмет диссертационного исследования – показатели процесса сгорания, объемное содержание и массовая концентрация оксидов азота в цилиндре и отработавших газах дизеля на при работе на метаноле и метиловом эфире рапсового масла, а также мощностные, экономические и экологические показатели.
Цель. Снижение содержания оксидов азота в отработавших газах дизеля 2Ч 10,5/12,0 с полусферической камерой сгорания в поршне при работе на метаноле и метиловом эфире рапсового масла при впрыскивании (в качестве запального топлива) через штифтовую форсунку с использованием двойной системы топливоподачи, изучение их влияния на процессы образования и разложения оксидов азота, мощностные, экологические и экономические показатели, экономию нефтяного топлива.
Научную новизну работы представляют:
– результаты лабораторно-стендовых и теоретических исследований влияния применения метанола и метилового эфира рапсового масла при впрыскивании (в качестве запального топлива) через штифтовую форсунку с двойной системой топливоподачи на процессы образования и разложения оксидов азота, токсические,
мощностные и экономические показатели дизеля 2Ч 10,5/12,0 с полусферической камерой сгорания и впрыскивании запального топлива через штифтовую форсунку;
– результаты определения регулировочных параметров топливоподающей аппаратуры, обеспечивающие получение оптимальных параметров рабочего процесса дизеля, экологические и экономические показатели при работе на метаноле метиловом эфире рапсового масла при впрыскивании (в качестве запального топлива) через штифтовую форсунку с двойной системой топливоподачи;
– уточненная математическая модель расчета содержания оксидов азота в цилиндре и отработавших газах дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на метаноле и метиловом эфире рапсового масла при впрыскивании (в качестве запального топлива) через штифтовую форсунку с двойной системой топливоподачи;
– результаты расчета показателей объемного содержания и массовой концентрации оксидов азота в цилиндре и отработавших газах дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на метаноле и метиловом эфире рапсового масла при впрыскивании (в качестве запального топлива) через штифтовую форсунку с двойной системой топливоподачи;
– рекомендации по снижению содержания оксидов азота в отработавших газах дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на метаноле и метиловом эфире рапсового масла при впрыскивании (в качестве запального топлива) через штифтовую форсунку с двойной системой топливоподачи.
Практическая ценность работы и реализация результатов исследований в том, что применение метанола и метилового эфира рапсового масла при впрыскивании (в качестве запального топлива) через штифтовую форсунку с двойной системой топливоподачи позволяет значительно уменьшить выбросы оксидов азота в отработавших газах дизеля 2Ч 10,5/12,0, полностью заместить дизельное топливо и сохранить мощностные показатели на уровне серийного дизеля. Уточненная математическая модель расчета содержания оксидов азота дизеля 2Ч 10,5/12,0 показала высокую сходимость полученных теоретических расчетов объемного содержания оксидов азота с данными экспериментальных исследований и последующими на их основе расчетами.
Материалы диссертации используются в учебном процессе Вятской, Нижегородской и Чувашской государственных сельскохозяйственных академий при чтении лекций, выполнении курсовых работ и дипломном проектировании для студентов, обучающихся по образовательным программам 35.03.06, 23.03.03, 35.04.06, 23.04.03.
Экономическая эффективность. Экономический эффект от применения метанола и МЭРМ в дизеле 2Ч 10,5/12,0 за счет снижения ущерба, наносимого выбросами ОГ составил 6885 рублей на один двигатель в год. Экономия средств за счет применения более дешевого топлива составляет 33980 руб./год на один двигатель при годовой наработке в 500 мото-часов (в ценах на январь 2017 г.).
Положения выносимые на защиту:
– результаты лабораторно-стендовых и теоретических исследований влияния
применения метанола и метилового эфира рапсового масла при впрыскивании (в качестве запального топлива) через штифтовую форсунку с двойной системой топливоподачи на процессы образования и разложения оксидов азота, токсические, мощностные и экономические показатели дизеля 2Ч 10,5/12,0 с полусферической камерой сгорания и впрыскивании запального топлива через штифтовую форсунку;
– результаты определения регулировочных параметров топливоподающей аппаратуры, обеспечивающие получение оптимальных параметров рабочего процесса дизеля, экологические и экономические показатели при работе на метаноле метиловом эфире рапсового масла при впрыскивании (в качестве запального топлива) через штифтовую форсунку с двойной системой топливоподачи;
– уточненная математическая модель расчета содержания оксидов азота в цилиндре и отработавших газах дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на метаноле и метиловом эфире рапсового масла при впрыскивании (в качестве запального топлива) через штифтовую форсунку с двойной системой топливоподачи;
– результаты расчета показателей объемного содержания и массовой концентрации оксидов азота в цилиндре и отработавших газах дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на метаноле и метиловом эфире рапсового масла при впрыскивании (в качестве запального топлива) через штифтовую форсунку с двойной системой топливоподачи;
– рекомендации по снижению содержания оксидов азота в отработавших газах дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на метаноле и метиловом эфире рапсового масла при впрыскивании (в качестве запального топлива) через штифтовую форсунку с двойной системой топливоподачи.
Методология и методы исследования: применялись современные методы экспериментальных и теоретических исследований, заключающиеся в проведении стендовых испытаний дизеля 2Ч 10,5/12,0 на современном научном оборудовании при работе на метаноле и метиловом эфире рапсового масла с двойной системой топливоподачи, с дальнейшей обработкой данных по передовым методикам ведущих НИИ и ВУЗов, основанных на применении современных теорий рабочих процессов ДВС.
Достоверность научных положений, результатов и выводов, содержащихся в диссертационной работе, основываются на применении:
апробированных методов и средств исследования при проведении стендовых испытаний дизеля.
известных приемов обработки экспериментальных данных, полученных при стендовых испытаниях.
Личный вклад автора. Автором выполнен анализ литературных источников по теме диссертационного исследования. Автор принял участие в разработке уточненной модели образования оксидов азота в дизеле 2Ч 10,5/12,0 при работе на метаноле и метиловом эфире рапсового масла. Автором был выполнен полный цикл стендовых испытаний дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на метаноле и метиловом эфире рапсового масла при впрыскивании (в качестве запального топлива) через штифтовую
форсунку с двойной системой топливоподачи с последующей обработкой результатов, их анализом, представлением материалов в публикациях и выступлениях на конференциях. Материалы диссертации основаны на исследованиях автора в период с 2012 г. по 2017 г.
Апробация работы. Основные результаты и материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на: 6–ой, 7–ой, 8–ой, 9–ой, 10–ой Международных научно-практических конференциях «Наука – Технология – Ресурсосбережение», 2013-2017 гг. (ФГБОУ ВО Вятская ГСХА, г. Киров); 15-ой, 17-ой и 18-ой, 19-ой Международных научно-практических конференциях «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства», 2013, 2015, 2016, 2017 гг. (ФГБОУ ВО Марийский ГУ, Йошкар-Ола); Международной научно-практической конференции аспирантов и молодых учёных «Знания молодых: наука, практика и инновации», 2013-2016 гг. (ФГБОУ ВО Вятская ГСХА, г. Киров); Всероссийской ежегодной научно-практической конференции «Общество, наука, инновации», 2013, 2014 гг. (ФГБОУ ВПО Вятский ГУ, г. Киров); XI Всероссийской научно - практической конференции молодых учёных, аспирантов и студентов «Молодёжь и инновации», 2015 г. (ФГБОУ ВО Чувашская ГСХА, г. Чебоксары); VII Всероссийской научно-практической конференции «Основные направления развития техники и технологий в АПК», 2015 г. (ГБОУ ВО НГИЭУ, г. Княгинино); Всероссийской научно-практической конференции «Современное состояние прикладной науки в области механики и энергетики», 2016 г. (ФГБОУ ВО Чувашская ГСХА, г. Чебоксары).
Публикации результатов исследований. Основные результаты и положения диссертационной работы опубликованы в 37 печатных работах, включая монографию объёмом 9,06 п.л., 6 статей в изданиях из перечня рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, объёмом 1,5 п.л. и 30 статей входящих в материалы Международных и Всероссийских конференций с общим объёмом 6 п.л. Без соавторов опубликовано 4 статьи общим объемом 0,75 п.л.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и рекомендаций и списка литературы. Работа изложена на 175 страницах, в том числе 142 стр. текста, содержит 42 рисунка и 14 таблиц. Список литературы изложен на 28 стр. включает 213 наименований, в том числе 19 на иностранных языках.
Перспективы применения метилового спирта в автотракторных дизелях
Многие научно-исследовательские институты и центры в последние годы всё чаще проводят исследования, которые направлены на поиск альтернативных топлив, призванные заменить традиционные жидкие углеводородные топлива нефтяного происхождения [24, 26, 67].
Существующие альтернативные виды топлива классифицируются по следующим признакам: – по своему составу (эфиры, спирты, масла, газовые топлива, водородные топлива, и др.); – при различных агрегатных состояниях они делятся на: жидкие, твердые и газообразные; – по способам использования их применяют как в качестве добавок, так и в натуральном виде; – также топлива получают из различных источников сырья – из торфа, угля, сланцев, горючего газа, биомассы и др. Из всех существующих альтернативных топлив наиболее перспективным являются биотоплива и их смеси с дизельным топливом в разных пропорциях (растительно–минеральные смеси) [13, 14, 41].
Сельскохозяйственные предприятия, которые потребляют главным образом светлые нефтепродукты [68, 81, 82] для выращивания растений, при создании биодизельного топлива стали способными выпускать экологически чистое, возобновляемое топливо для дизелей [42, 155].
Требуемые физико–химические свойства альтернативного топлива обуславливают применение новых технологий, которые способны обеспечить эксплуатационные, экономические и экологические показатели [39, 40, 43, 65, 83, 179].
Анализ работ о разрабатываемых технологиях получения биотоплива из растительных масел с использованием его в двигателях автотракторной техники выявил недостаточность информации [43, 59, 80, 127, 128, 130, 131, 156, 160, 187].
В частности приводят сведения о технологии возделывания с последующим выращиванием и дальнейшей переработки семян в масло. Преимущественно масло выделяется из масличных культур путем выжимки, а в дальнейшем очищается различными методами, в том числе, нейтрализацией, вымораживанием или фильтрованием. Также был выявлен недостаток информации о влиянии биотоплива, в частности, рапсового масла (РМ) и метилового эфира рапсового масла (МЭРМ) на индикаторные параметры [134, 172, 181] рабочего цикла, эффективные и экологические показатели и параметры топливоподачи.
Наряду с этим, все исследователи чаще приходят к единому мнению об отказе применения нефтяных топлив [124, 133, 143, 189] и целесообразности использования возобновляемых источников энергии, а именно, получение топлива из растительной биомассы в качестве перспективного экологически чистого вида топлива для автотракторных двигателей [44, 45].
При производстве биодизельного топлива применяют различные виды растительных масел, таких как рапсовое, льняное, подсолнечное, пальмовое и др. При этом полученное биотопливо из разных растительных масел имеет ряд отличительных физико–химических признаков. К таким признакам относятся: низшая теплота сгорания, вязкость, плотность, фильтруемость, температура застывания, коксуемость, цетановое число и др. К примеру, у пальмового биодизельного топлива меньше низшая теплота сгорания по сравнению с рапсовым топливом, но высокая вязкость. Поэтому пальмовое биодизельное топливо лучше применять в регионах с более теплым климатом.
Биодизельные топлива на основе растительных масел различны по составу и способам применения: – натуральное техническое растительное масло. Его основой являются масличные культуры, оно получается путем прессования или отжима. Такое масло химически не модифицирование, нерафинированное или рафинированное, обладает низшей теплотой сгорания в пределах 35–37 МДж/кг [157] из–за зависимости жирнокислотного состава, применяется как биотопливо для соответствующих типов двигателей, отвечает установленным нормам выбросов вредных веществ [65, 67, 68, 125, 138]. – биодизельное топливо. Полученный метиловый (или этиловый) эфир, основой которого является растительное масло. Обладает низшей теплотой сгорания в пределах 37,1–37,4 МДж/кг. Его физико–химические свойства близки к свойствам минерального дизельного топлива. Такое топливо применяется в качестве моторного топлива в дизельных двигателях. – смесевое ДТ. Изготавливается путем смешивания растительного масла с минеральным ДТ. Низшая теплота сгорания лежит в пределах 37–39 МДж/кг. Физико – химические и теплотворные свойства достаточно близки к свойствам минерального ДТ. Это позволяет использовать данные компоненты в дизельном двигателе без внесения существенных конструктивных изменений [133, 147, 149, 182].
Топливный потенциал масличных культур при сравнении на 1 т сырья намного больше относительно других сельскохозяйственных культур. Произведенные расчеты показывают, что затраты на получение рапсовых семян составляют 17700 МДж/кг, на получение масла – 700 МДж/кг, при этом энергия, получаемая от масла – 22200 МДж/кг. В связи с вышесказанным, можно сделать вывод, что энергетическая прибыль с одного гектара посева рапса составляет 3800 МДж (что соответствует 110 л нефтяного ДТ по своей энергетической ценности) [181].
Результаты теоретических расчетов образования оксидов азота в двигателе 2Ч 10,5/12,0 при использовании в качестве топлива метанола и МЭРМ с ДСТ
Исследованию влияния метанола на токсичность посвящен ряд работ: [3 -5, 108 - 112, 114, 117, 126, 157, 171]. В Вятской ГСХА проводились работы по применению метанола в виде эмульсии с дизельным топливом в двигателе 2Ч 10,5/12,0 [111]. В данной работе, в том числе, проводились исследования по влиянию различных присадок на стабильность метаноло – топливной эмульсии (МТЭ). Было установлено, что наибольшая стабильность эмульсии достигается при использовании присадки сукцинимид С – 5А. При этом стабильность коалесценции составила от 4 до 6 суток. С использованием данной присадки удалось замещать до 35 % дизельного топлива метанолом. Увеличение содержания метанола выше 35 % нецелесообразно из-за высокой жёсткости процесса сгорания. При использованием МТЭ содержание оксидов азота NOx в ОГ уменьшается на половину. Автор указывает, что если на номинальном режиме работы двигателя наблюдается снижение выбросов оксидов азота в ОГ на дизельном процессе с 0,036 %, до 0,014 % на смесевом топливе (с содержанием метилового спирта 35 %). При дальнейшем анализе можно отметить, что при использовании МТЭ наблюдается существенное снижение выбросов сажи в ОГ на 36%.
Так же, в Вятской ГСХА на двигателе Д – 21А1 был применен способ подачи метилового спирта на впуске при помощи карбюратора с регулируемым жиклёром [112]. При этом в задачу исследования входило определение возможных пределов замещения ДТ метанолом. Было установлено, что при таком способе подачи метилового спирта в цилиндр дизельного двигателя необходимо ограничивать количество подаваемого спиртового топлива на 30 %, относительно расхода основного топлива, вследствие возрастания «жёсткости» сгорания. Результаты исследования показали, что, даже при наименьшей температуре газов в цилиндре, содержание оксидов азота в ОГ двигателя Д - 21А1 при подаче метилового спирта не уменьшается, а остается на прежнем уровне.
В Уфимском ГАТУ проводились исследования по применению спиртов в качестве топлива на дизельных ДВС [157]. В работе отмечается, что применение спиртовых топлив в двигателях может быть осуществлено различными способами. Из-за низких цетановых чисел самовоспламенение спирта в цилиндре дизеля достаточно трудно обеспечить, вследствие чего способы воспламенения данной смеси с использованием запального топлива и свечи зажигания обрели широкое распространение, но при осуществлении последнего способа необходимы большие конструкторские изменения в ДВС, а это достаточно трудоемко и затратно.
В связи с вышесказанным, была создана экспериментальная установка, основой которой являлся дизельный двигатель 1Ч 12/14 [150]. При проведении эксперимента использовалось ДТ марки Л (ГОСТ 305–82) и метанол (ГОСТ 6995–77). Опытные испытания проводились при различных нагрузочных режимах. Так, при работе двигателя с использованием метилового спирта происходило возрастание максимального давления, вследствие увеличения п.з.в. из-за низкой температуры в конце такта сжатия. Уменьшение установочного УОВТ приводит к понижению максимального давления, вследствие чего снижается температура и оксиды азота в ОГ. Исследования двигателя показали, что при добавлении испаренного метилового спирта до 50 % наблюдается существенное снижение дымности и оксидов азота на 45 % и 30 %, соответственно. Также достигается замещение ДТ на 35 %. В Харьковском государственном политехническом университете были проведены стендовые испытания тракторного дизельного двигателя 6ЧН 12/14 при использовании в качестве топлива МЭРМ [181]. Перед началом проведения стендовых испытаний необходимо было получить из рапсового масла – МЭРМ. Для этого РМ проходило рафинацию и отбелку, с последующим нагреванием до температуры 80–90 С и смешиванием с метанолом при добавлении в данную смесь катализатора. Таким образом, при использовании в качестве топлива МЭРМ можно было отметить существенное снижение выбросов токсичных компонентов в ОГ и незначительное увеличение расхода топлива. При этом эффективная мощность не изменялась.
Влияние состава различных смесей МЭРМ и ДТ на показатели транспортного двигателя (рисунок 1.5) изучалось на дизеле Д–245.12С (4ЧН 11/12,5) с полуразделенной камерой сгорания типа ЦНИДИ производства Минского тракторного завода [129].
Зависимость относительной концентрации в ОГ оксидов азота СNOx от содержания в смесевом биотопливе метилового эфира рапсового масла СМЭРМ при работе дизеля на 13-ступенчатого испытательного цикла с частотой вращения: а) n = 1500 мин-1, б) n = 2400 мин-1 и различной нагрузкой (10, 25, 50, 75 и 100 %) Дизельный двигатель оснащался турбокомпрессором ТРК – 6 Борисовского завода автоагрегатов и ТНВД модели РР4М10Ulf (Motorpal, Чехия). Исследования проводились на моторном стенде АМО «ЗиЛ», оборудованном необходимой измерительной аппаратурой. При экспериментальных исследованиях дизеля на режимах 13-ти ступенчатого испытательного цикла кроме основных параметров двигателя определялись концентрации в ОГ основных нормируемых токсичных компонентов – NOx, CCO, CCHx. По экспериментально определенным значениям их концентрации (соответственно CNOx, CCO, CCHx) рассчитывались интегральные удельные массовые выбросы eNOx, eCO, eCHx. Они показывают, что с увеличением содержания МЭРМ в биотопливе выбросы оксидов азота в ОГ сначала снижаются: с 7,286 г/кВтч при СМЭРМ = 0 % до 6,542 г/кВтч при СМЭРМ = 20 %, а при дальнейшем увеличении доли МЭРМ (60 %) – повышаются до 7,759 г/кВтч. Данные рисунка 1.5 по содержанию в ОГ оксидов азота CNOx подтверждают, что наибольшая эмиссия наблюдается при режимах 13-ступенчатого испытательного цикла с полной нагрузкой, а наименьшая – при минимальной нагрузке. Наиболее неблагоприятная частота вращения 1500 мин -1, соответствующая режиму максимального крутящего момента, отличающемуся минимальной температурой горения. С увеличением доли МЭРМ в смесевом биотопливе концентрация NOx сначала снижается, а затем увеличивается и при СМЭРМ = 60% достигает своего максимума. Эта тенденция характерна для обоих исследованных скоростных режимов при n = 1500 мин-1 и n = 2400 мин-1.
Экспериментальное оборудование, применяемое для исследования двигателя 2Ч 10,5/12,0
В соответствии с разработанной уточненной математической моделью проводились теоретические расчеты процесса образования оксидов азота в зависимости от изменения угла п.к.в. () в цилиндре и ОГ двигателя 2Ч 10,5/12,0 при использовании в качестве топлива метанола и МЭРМ с ДСТ. Расчеты проводились на основании экспериментальных данных полученных на частотах соответствующих номинальному режиму (п = 1800 мин"1) и режиму максимального крутящего момента (п = 1400 мин"1), в зависимости от изменения нагрузки.
На графиках рисунка 2.2, а представлены кривые осредненной температуры (Т), полученной на основании экспериментальных данных и рассчитанные кривые температуры продуктов сгорания (Тпс) и свежей смеси (Тсм), а также построенный по представленной выше методике, на основании кривой температуры продуктов сгорания, график объемного содержания оксидов азота (rNOx расч) при изменении угла п.к.в. при частоте вращения (п = 1800 мин"1) и среднем эффективном давлении ре = 0,588 МПа.
Таким образом, на представленных ниже графиках можно заметить, что при работе дизеля на метаноле с запальным МЭРМ и оптимальных установочных УОВТ (мет = 34, МЭРМ = 34) пик максимального значения объемного содержания оксидов азота (rNOх) наблюдается при = 17 п.к.в. и достигает 460 ррт. Выходное значение оксидов азота (rNOх) соответствующие углу поворота коленчатого вала = 140, когда процесс образования и разложения NOx полностью завершен составляет 425 ррт.
Необходимо отметить, что температура продуктов сгорания значительно выше, чем осредненная температура, и максимальное значение температуры продуктов сгорания составляет 2283 К, а осредненной температуры - 1792 К.
На графиках рисунка 2.2, б представлены те же зависимости, но при частоте вращения соответствующей максимальному крутящему моменту (n = 1400 мин-1) и среднему эффективному давлению pe = 0,594 МПа.
С применением метанола и запального МЭРМ пик максимального значения оксидов азота (rNOх) наблюдается при = 6,7 п.к.в. и достигает 625 ppm, в то время как выходное значение rNOх оксидов азота соответствующие углу поворота коленчатого вала = 140, когда процесс образования и разложения NOx полностью завершен составляет 611 ppm.
Также из графика на рисунке 2.2, б, видно, что температура продуктов сгорания значительно выше, чем осредненная температура, и максимальное значение температуры продуктов сгорания составляет 2254 К, а осредненной температуры – 1850 К.
Зависимости содержания оксидов азота (rNOx) и температуры продуктов сгорания (Тпс), рассчитанные на основании экспериментальных данных в цилиндре и ОГ двигателя 2Ч 10,5/12,0, при изменении угла п.к.в. (), с использованием в качестве топлива метанола с запальным МЭРМ на номинальной частоте вращения (n = 1800 мин-1) при изменении нагрузки представлены на рисунке 2.3. Из представленных графиков можно отметить, что при средних эффективных давлениях ре, равных 0,115; 0,230; 0,346; 0,461; 0,588 и 0,692 МПа, пик оксидов азота (rNOx) в цилиндре двигателя наблюдается при значениях равных, 201; 223; 269; 372; 460; 1021 ppm, при углах = 48, 50, 50, 15, 17, 11 п.к.в. после в.м.т., соответственно.
При этом в момент начала открытия выпускного клапана (при = 140 п.к.в.) выходные значения данных показателей составляют, соответственно, 201, 223, 269, 360, 425 и 885 ppm. Также максимальное значение Тпс в цилиндре двигателя достигается при температурах равных, соответственно, 1710, 1823, 1910, 2105, 2283 и 2591 К. Рассматривая кривые показателей содержания оксидов азота (rNOx) и температуры продуктов сгорания (Тпс) на дизельном процессе (рисунок 2.4.), рассчитанные на основании экспериментальных данных в цилиндре и ОГ двигателя 2Ч 10,5/12,0 при изменении угла п.к.в. (), на номинальной частоте вращения (n = 1800 мин-1) в зависимости от изменения нагрузки, можно отметить, что с ростом нагрузки наблюдается повышение температуры продуктов сгорания и как следствие этого возрастает образование rNOx в цилиндре двигателя. Так, при средних эффективных давлениях ре равных 0,115; 0,230; 0,346; 0,461; 0,588 и 0,692 МПа, достигается пик оксидов азота (rNOx) в цилиндре двигателя при значениях равных , 221; 392; 594; 680; 884; 920 ppm, при = 30, 35, 50, 13, 12, 12 п.к.в. после в.м.т., соответственно.
Количество оксидов азота на выходе (при = 140 п.к.в.) равно, соответственно, 221, 392, 549, 663, 719 и 730 ppm. Также максимальное значение температуры продуктов сгорания в цилиндре двигателя равно, соответственно, 1393, 1625, 1952, 2308, 2555 и 2751 К.
При дальнейшем рассмотрении процесса образования оксидов азота в цилиндре двигателя на частоте вращения соответствующей максимальному крутящему моменту (рисунок 2.5.) с использованием в качестве топлива метанола с запальным МЭРМ в зависимости от изменения угла п.к.в. () и нагрузки, можно отметить, что при средних эффективных давлениях ре, равных 0,115; 0,230; 0,346; 0,461; 0,594 и 0,692 МПа, пик оксидов азота (rNOx) в цилиндре двигателя наблюдается при значениях равных, 230; 293; 380; 445; 652; 1110 ppm, при = 39, 38, 37, 20, 6,7, 4 п.к.в. после в.м.т., соответственно. Выходное значение rNOх оксидов азота соответствующие углу поворота коленчатого вала = 140 п.к.в., равно, соответственно, 230, 293, 380, 442, 611 и 995 ppm. Также максимальное значение температуры продуктов сгорания (Тпс) в цилиндре двигателя равно, соответственно, 1611, 1725, 1783, 1908, 2254 и 2483 К.
Исследование индикаторных показателей и показателей процесса сгорания двигателя 2Ч 10,5/12,0 при использовании в качестве топлива метанола и МЭРМ с ДСТ на различных установочных УОВТ
В соответствии с целью, задачами исследований и разработанной методикой проведения стендовых испытаний, изложенной в главе 3 и структурной схемой (рисунок 3.3), проводился ряд экспериментов [19 - 21, 70, 89 - 91, 93 - 99, 100, 142, 183, 184,] на двигателе 2Ч 10,5/12,0 по изучению применения метанола и МЭРМ с ДСТ [18, 60, 71 - 77, 116, 152, 186]. Во время проведения испытаний были проведены исследования о влиянии установочного УОВТ на экономические показатели двигателя при использовании метанола и МЭРМ с ДСТ.
Данные характеристики снимались для определения оптимальных значений регулировочных углов опережения впрыскивания топлива для метанола и при подаче МЭРМ с ДСТ при равных значениях средних эффективных давлений [107, 185]. Необходимо отметить, что заводом-изготовителем для дизеля 2Ч 10,5/12,0, с ТНВД марки 2 УТНМ рекомендован оптимальный установочный УОВТ равный 30 п.к.в. Для того чтобы определить запальную порцию МЭРМ, необходимо было уменьшить подачу эфира до пропусков воспламенения, затем немного её увеличить для более устойчивой работы двигателя [135, 194]. При дальнейших испытаниях подача запальной порции эфира оставалась неизменной, а нагрузка на двигатель осуществлялась за счет подачи метилового спирта серийным топливным насосом.
По экономическим показателям из графиков на рисунке 4.1 можно сделать выводы, что лучший расход топлива наблюдается при одновременной подаче альтернативных топлив. И при установочных УОВТ мет = 34 и МЭРМ = 34 наблюдается минимальный суммарный удельный эффективный расход топлива ge, который составляет ge = 490 г/(кВтч), в связи с этим данные установочные углы (мет = 34 и МЭРМ = 34) можно считать оптимальными. Как видно из рисунка 4.1 при более раннем или позднем сочетании УОВТ для МЭРМ (мет = 34 и МЭРМ = 38) наблюдается повышение удельного расхода топлива (ge = 517 г/(кВтч)), и ge = 528 г/(кВтч) при установочном УОВТ (мет = 34 и МЭРМ = 30), соответственно. Из представленного графика изменения экономичности двигателя 2Ч 10,5/12,0 при использовании в качестве топлива метанола с запальным МЭРМ с ДСТ при различном сочетании установочных УОВТ, относительно оптимальных (мет = 34 и МЭРМ = 34), можно отметить, что показатели экономичности значительно ухудшаются. И при установочных УОВТ равных мет = 30 и МЭРМ = 34, мет = 38 и МЭРМ = 34 суммарный удельный эффективный расход топлива составляет 533 и 566 г/(кВтч), соответственно.
Такое изменение экономичности обуславливается ухудшением процесса сгорания, связанное с химическим составом топлива, вследствие чего изменяются показатели давлений и температур.
Исследование индикаторных показателей и показателей процесса сгорания двигателя 2Ч 10,5/12,0 при использовании в качестве топлива метанола и МЭРМ с ДСТ на различных установочных УОВТ Во время испытаний параллельно проводилось индицирование рабочего процесса при различных углах подачи топлива. Для более полного изучения влияния установочных УОВТ на выбросы оксидов азота также определялось влияние углов подачи топлива на максимальное давление и максимальную осреднённую температуру в цилиндре дизеля.
На рисунке 4.2, а представлены графики максимального давления газов (Pz max) в цилиндре, полученные при индицировании двигателя 2Ч 10,5/12,0 при использовании в качестве топлива метанола и МЭРМ с ДСТ, при изменении установочных УОВТ от 26 до 38о для обоих видов топлив и п = 1800 мин"1.
Как видно из рисунка, при раннем угле подачи метанола мет = 38 и разных сочетаниях углов подачи МЭРМ МЭРМ = 38, 34, 30 и 26 значения Pz max равны 7,56, 7,0, 6,15 и 3,94 МПа, соответственно.
На оптимальном угле подачи метанола мет = 34 и на аналогичных сочетаниях углов опережения впрыска МЭРМ, значения pz max составляют 7,64,
Максимальное давление сгорания в цилиндре двигателя 2Ч 10,5/12,0 при использовании в качестве топлива метанола и МЭРМ с ДСТ в зависимости от различных установочных УОВТ при: а) n = 1800 мин-1; б) n = 1400 мин-1 При установочном УОВТ мет = 30 и с уменьшением угла начала подачи МЭРМ происходит также снижение максимального давления в цилиндре, которое при этом составляет 6,72, 5,94, 5,42 и 4,87 МПа, при установочных углах впрыска запального топлива МЭРМ = 38, 34, 30 и 26, соответственно. Более поздняя подача метанола мет = 26 ведет к снижению максимального давления при всех углах начала впрыска запального топлива, которое составляет 6,55, 6,32, 5,17 и 4,21 МПа, при установочных углах подачи МЭРМ МЭРМ = 38, 34, 30 и 26, соответственно.
Таким образом, углы начала подачи как метанола, так и МЭРМ оказывают существенное влияние на максимальное давление в цилиндре дизеля, и с увеличением установочных углов происходит заметный рост индикаторного давления (pz max).
Рассматривая зависимость максимального давления в цилиндре дизеля от изменения установочных УОВТ полученную при работе в режиме максимального крутящего момента (рисунок 4.2) можно также видеть, что более ранняя подача топлив ведет к росту pz max.
При этом как видно из рисунка, при раннем угле подачи метанола мет = 38 и разных значениях углов подачи МЭРМ МЭРМ = 38, 34, 30 и 26 значения pz max равны 8,37, 8,23, 7,90 и 5,40 МПа, соответственно.
На оптимальном угле подачи метанола мет = 34 и на аналогичных углах опережения впрыска МЭРМ, значения pz max составляют 7,60, 7,67, 7 и 5,5 МПа соответственно.
При установочном УОВТ мет = 30 и с уменьшением углов начала подачи МЭРМ происходит также снижение максимального давления в цилиндре, которое при этом составляет 7,38, 7,42, 6,91 и 6,74 МПа, при установочных углах впрыска запального топлива МЭРМ = 38, 34, 30 и 26, соответственно.
Более поздняя подача метанола мет = 26 ведет к снижению максимального давления при всех углах начала впрыска запального топлива, которое составляет 7,02, 7,34, 6,77, и 6,6 МПа, при установочных углах подачи МЭРМ МЭРМ = 38, 34, 30 и 26, соответственно.
Таким образом, более раннее впрыскивание метанола обуславливается длительным предварительным испарением, происходит накопление в объеме КС паровой фазы. В результате чего воспламенение запальной порции МЭРМ, как и всего заряда в целом, происходит с большей задержкой. Сгорание происходит с большой скоростью, в результате чего значительно повышается «жесткость» процесса сгорания. При дальнейшем увеличении угла опережения впрыскивания метанола и МЭРМ начинает возрастать и максимальное давление (рz max)- В свою очередь это влияет на показатели экономичности.
Вследствие указанных выше причин (из-за роста максимального давления газов в цилиндре и максимальной «жесткости» процесса сгорания), работа дизеля при установочных УОВТ МЭРМ = 38, мет = 38 рекомендована быть не может.
На рисунке 4.3 представлено влияние установочных углов начала подачи метанола и МЭРМ на максимальную осредненную температуру газов в цилиндре дизеля (Ттах) полученную в результате обработки индикаторных диаграмм.
Как видно из рисунка 4.3, а на номинальном режиме работы дизеля (п = 1800 мин"1, ре=0,588 МПа) при раннем угле подачи метанола мет = 38 и разных сочетаниях углов подачи МЭРМ МЭРМ = 38, 34, 30 и 26 значения Ттах равны соответственно 1932, 1888, 1838 и 1873 К.
На оптимальном угле подачи метанола мет = 34 и на аналогичных сочетаниях углов опережения впрыска МЭРМ, значения Ттах составляют 1850, 1792, 1780 и 1767 К соответственно.
При установочном угле подачи метанола мет = 30 и углах начала подачи МЭРМ равных МЭРМ = 38, 34, 30 и 26 максимальная осредненная температура газов в цилиндре составляет соответственно Ттах = 1753, 1721, 1708, и 1679 К.