Быковская, Лариса Игоревна. Оценка эффективности применения многокомпонентных биотоплив в дизельных двигателях сельскохозяйственных машин

Краткое описание

Быковская, Лариса Игоревна. Оценка эффективности применения многокомпонентных биотоплив в дизельных двигателях сельскохозяйственных машин : диссертация ... кандидата технических наук : 05.20.01 / Быковская Лариса Игоревна; [Место защиты: Моск. гос. агроинженер. ун-т им. В.П. Горячкина].- Москва, 2013.- 184 с.: ил. РГБ ОД, 61 13-5/2706

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
АГРОИНЖЕНЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. В.П. Горячкина
На правах рукописи
УДК 621.436
Быковская Лариса Игоревна
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ БИОТОПЛИВ В ДИЗЕЛЬНЫХ
ДВИГАТЕЛЯХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН
05.20.01 - Технологии и средства
механизации сельского хозяйства
Диссертация
на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Научный руководитель - доктор технических наук, профессор С.Н. Девянин
Москва - 2013 
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 6
1. ВИДЫ БИОТОПЛИВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В ДИЗЕЛЯХ,
И ИХ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
1.1. Преимущества и перспективы использования биотоплив
в двигателях внутреннего сгорания 13
1.2. Виды биотоплив, используемых в двигателях внутреннего
сгорания 20
1.3. Физико-химические свойства биотоплив на основе растительных
масел и нефтяного дизельного топлива 24
1.4. Особенности работы дизельных двигателей на биотопливах на основе
растительных масел 38
1.5. Цель работы и задачи исследования 45
2. ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СМЕСЕВЫХ БИОТОПЛИВ ДЛЯ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН
2.1. Режимы работы дизельных двигателей и испытательные циклы для
оценки токсичности их отработавших газов 48
2.2. Распределения режимов работы дизельных двигателей различного
назначения в условиях эксплуатации 59
2.3. Свойства многокомпонентных биотоплив и оценка токсичности
отработавших газов дизелей, работающих на этих биотопливах 69
2.4. Методика оптимизации состава многокомпонентных смесевых
биотоплив для дизельных двигателей сельскохозяйственных машин 76
Основные результаты и выводы по второй главе 85
з
3. РАСЧЕТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ТОПЛИВОПОДАЧИ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ, РАБОТАЮЩЕГО НА СМЕСЕВЫХ БИОТОПЛИВАХ
3.1. Методики расчета процесса топливоподачи дизельных двигателей и
основных характеристик многокомпонентных топлив 88
3.1.1. Расчет основных характеристик многокомпонентных топлив 88
3.1.2. Методики расчета процесса топливоподачи дизельных
двигателей 102
3.2. Расчет процесса топливоподачи дизеля, работающего на смесях
дизельного топлива и рапсового масла 118
3.3. Расчет процесса топливоподачи дизеля, работающего на смесях
дизельного топлива и метилового эфира рапсового масла 131
Основные результаты и выводы по третьей главе 140
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИЗЕЛЯ, РАБОТАЮЩЕГО НА МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СМЕСЕВЫХ БИОТОПЛИВАХ
4.1. Проблемы использования растительных масел в качестве топлива
для дизелей 142
4.2. Экспериментальные исследования дизеля, работающего на
многокомпонентных смесевых топливах 148
4.3. Оптимизация состава многокомпонентных биотоплив для
дизелей сельскохозяйственных машин 158
Основные результаты и выводы по четвертой главе 163
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ 165
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 168
ПРИЛОЖЕНИЕ 181
СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
ВМТ, НМТ - верхняя и нижняя мертвые точки;
ДТ - дизельное топливо;
КПД - коэффициент полезного действия;
КС - камера сгорания;
ОГ - отработавшие газы;
МЭРМ - метиловый эфир рапсового масла;
ПДК - предельная допустимая концентрация;
ПЗВ, Т; - период задержки воспламенения; п.к.в. - поворот коленчатого вала двигателя;
РМ - рапсовое масло;
СЛР - система автоматического регулирования;
ТНВД - топливный насос высокого давления;
УОВТ, 0 - угол опережения впрыскивания топлива;
ЦПТ - цикловая подача топлива;
ЦЧ — цетановое число;
NOx, СО, СНХ, С, Кх - оксиды азота, монооксид углерода, углеводороды, са¬жа, дымность ОГ;
CNOXJ Ссо, ССНХ> СТЧ - объемные концентрации в ОГ оксидов азота, моноок¬сида углерода, углеводородов, твердых частиц;
ENOX, ЕСО, ЕСНХ, ЕТЧ - массовые выбросы оксидов азота, монооксида углерода, углеводородов,твердых частиц;
CNOX, С( О, еСцх, етч - удельные массовые выбросы оксидов азота, монооксида углерода, углеводородов, твердых частиц;
GT - часовой расход топлива;
ge, ge уел - удельный эффективный расход топлива; условный удельный эф-фективный расход топлива;
Срм - объемная концентрация рапсового масла (растительного масла) в сме- севом биотопливе;
dp - диаметр распиливающего отверстия; hp - положение дозирующей рейки ТНВД;
L - длина струи распиливаемого топлива;
п, пт„ - частоты вращения двигателя и топливного насоса;
Ne, Ме ~ эффективная мощность двигателя и эффективный крутящий момент; ра - давление начала сжатия; pz - максимальное давление сгорания; q„ - цикловая подача топлива;
Рф0 - давление начала подъема иглы форсунки;
Jo, J0 отн - обобщенный критерий оптимальности, относительный обобщен-ный критерий оптимальности;
J,1C, JGT, JNOX, JCO, JCHX - частные критерии оптимальности по эффективному КПД, часовому расходу топлива, выбросам оксидов азота, монооксида угле-рода, углеводородам;
алс, аот, aNOx, асо, аСНх - весовые коэффициенты частных критериев оптималь¬ности по соответствующим параметрам; а - коэффициент избытка воздуха;
Р , - эффективный угол раскрытия струи;
рт - плотность топлива;
vT - вязкость топлива;
ат - коэффициент сжимаемости топлива;
ат - коэффициент поверхностного натяжения топлива;
цс, рсусл - эффективный КПД дизеля, условный эффективный КПД;
(ipfp - эффективная площадь распылителя в сборе.
ВВЕДЕНИЕ
Одной из наиболее актуальных проблем современного двигателестрое- ния является проблема поиска моторных топлив, которые смогут успешно заменить традиционные бензин и дизельное топливо. Это обусловлено как постепенным истощением нефтяных месторождений, так и непрерывным повышением цен на нефть и нефтепродукты. По пессимистичным прогнозам организации стран - экспортеров нефти (ОПЕК) запасы нефти в промыш-ленно развитых странах иссякнут уже в ближайшем будущем. В России раз-веданных запасов нефти хватит до 2025-30 гг., а запасов газа - до 2085-95 гг. Мировые цены на нефть практически непрерывно повышаются, и прогнози-руется их дальнейший рост. В этих условиях использование в промышленно¬сти, на транспорте, в сельском хозяйстве, других секторах экономики России топлив ненефтяного происхождения (альтернативных топлив) становится не только необходимым, но и экономически оправданным.
В последние годы повышенный интерес проявляется к топливам, полу-чаемым из возобновляемых энергетических ресурсов растительного проис-хождения, сырьевые запасы которых практически неограничены. В первую очередь - это биотоплива, производимые из растительных масел. Цена этих топлив соизмерима с ценой топлив нефтяного происхождения, а в ряде слу-чаев -даже ниже цен на традиционные моторные топлива.
Применительно к условиям европейской части России наиболее пер-спективными представляются топлива на основе рапсового масла. Рапс от-личается сравнительно неплохой урожайностью и с агрономической точки зрения рапс является желательной культурой для улучшения севооборота (он улучшает структуру и плодородие почвы). Получаемый при отжиме расти-тельных масел жмых (шрот) является ценным белковым продуктом, который может быть использован для откорма крупного рогатого скота и других жи-
вотных. С одного гектара посевов рапса можно получить до 3 т маслосемян (до 1 т рапсового масла), до 3,5 т соломы, до 2 т жмыха.
Использование биотоплив на базе рапсового масла позволит не только заместить нефтяные моторные топлива альтернативными, но и улучшить по-казатели токсичности отработавших газов (ОГ). При работе дизельных дви-гателей на биотопливах, как правило, отмечается заметное уменьшение эмиссии токсичных компонентов ОГ. В первую очередь это относится к дымности ОГ и выбросам других продуктов неполного сгорания топлива, которые при использовании биотоплив снижаются в 1,5-2 раза. Кроме того, использование топлив растительного происхождения обеспечивает круго-оборот углекислого газа в атмосфере, поскольку при сжигании биотоплив в двигателях внутреннего сгорания в атмосферу выбрасывается примерно та¬кое же количество углекислого газа, которое поглощается в процессе выра-щивания сырья для производства биотоплива. Это приводит к уменьшению выброса в атмосферу парниковых газов, и предотвращению парникового эффекта, способствующего глобальному потеплению и возникновению раз-личных природных аномалий.
Следует отметить, что по своим физико-химическим свойствам биотоп-лива ближе к дизельным топливам, чем к бензинам: они имеют сравнительно высокие плотность и вязкость, плохую испаряемость. Поэтому их использо-вание возможно лишь в дизельных двигателях, отличающихся меньшей чув-ствительностью к свойствам применяемого топлива. К тому же, дизельные двигатели, работающие с большой степенью сжатия и повышенными значе-ниями коэффициента избытка воздуха, характеризуются лучшими показате-лями топливной экономичности и токсичности ОГ.
Вместе с тем, биотоплива имеют физико-химические свойства, отлича-ющиеся от свойств традиционного дизельного топлива. Поэтому при пере-воде двигателей, изначально адаптированных к работе на дизельном топли-
вс, па биотоплива, возникает ряд проблем, связанных с организацией рабо¬чих процессов, в первую очередь - процессов топливоподачи, распиливания топлива, смесеобразования и сгорания. При этом возможно нарушение ис-ходных регулировок двигателя, ухудшение ряда эксплуатационных показа-телей дизельных двигателей, увеличение износа деталей двигателей и уменьшение ресурса их работы. Поэтому необходима адаптация двигателей к работе на этом виде топлива. Одним из эффективных путей адаптация дви-гателей к работе на биотопливах является применение смесевых биотоплив - смесей дизельного топлива и рапсового масла. Наибольшего приближения свойств биотоплив к свойствам нефтяного дизельного топлива можно до¬стичь путем использования многокомпонентных биотоплив. При этом удает¬ся обеспечить улучшенные показатели топливной экономичности и токсич¬ности ОГ.
Диссертационная работа посвящена проблемам улучшения показателей топливной экономичности и токсичности ОГ автотракторного дизельного двигателя при использовании многокомпонентных смесевых биотоплив.
В работе проведен сравнительный анализ видов биотоплив, используе-мых в двигателях внутреннего сгорания, а также физико-химических свойств биотоплив на основе растительных масел. Рассмотрены особенности работы дизельных двигателей на биотопливах на основе растительных масел. Про-веден сравнительный анализ распределений режимов работы дизельных дви-гателей транспортного и автотракторного назначения и испытательных цик-лов для оценки токсичности их отработавших газов. Разработана методика оптимизации состава многокомпонентных смесевых биотоплив для дизель-ных двигателей сельскохозяйственных машин. Проведена адаптация мето¬дики расчета процесса топливоподачи дизельных двигателей применительно к многокомпонентным смесевым биотопливам. Проведены расчетные иссле-дования процесса топливоподачи дизеля, работающего на смесях дизельного
топлива с рапсовым маслом и метиловым эфиром рапсового масла. Экспе-риментально исследован дизель, работающий на многокомпонентных смесе- вых топливах - смесях дизельного топлива с рапсовым маслом и метиловым эфиром рапсового масла. Проведены оптимизационные расчеты состава многокомпонентных биотоплив для дизелей сельскохозяйственных машин.
Актуальность диссертационной работы обусловлена необходимостью удовлетворения жестких требований к показателям топливной экономично-сти и токсичности ОГ дизелей, в том числе и для сельхозмашин. Эти показа-тели в значительной степени зависят от характера протекания процессов распыливания топлива и смесеобразования, которые в большой мере опреде-ляются свойствами топлив. Особенно остро эта проблема стоит в дизелях, работающих на биотопливах на основе растительных масел, поскольку эти топлива отличаются от нефтяных топлив худшей испаряемостью, более тя-желым фракционным составом, повышенными плотностью, вязкостью, по-верхностным натяжением. Эта проблема может быть решена путем разра¬ботки многокомпонентных смесевых топлив, но при этом необходима опти¬мизация их состава, которая должна проводиться с учетом целого комплекса показателей. Использование многокомпонентных смесевых биотоплив на основе растительных масел в сочетании с оптимизацией их состава позволит достичь требуемых показателей топливной экономичности и токсичности ОГ дизелей сельхозмашин.
Цель работы: Обосновать и экспериментально подтвердить эффектив-ность применения многокомпонентных биотоплив в дизельных двигателях сельскохозяйственных машин.
Методы исследований. Поставленная в работе цель достигается соче-танием теоретических и экспериментальных методов исследования. С помо-щью теоретических методов проведена оценка экологических показателей различных топлив. Экспериментальная часть работы заключалась в опреде-
лении показателей дизеля, работающего на многокомпонентных смесевых биотопливах.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- разработана методика оптимизации состава многокомпонентных сме-севых биотоплив для дизельных двигателей сельскохозяйственных машин, заключающаяся в использовании предложенного четырехрежимного испы-тательного цикла и уточненного обобщенного критерия оптимальности.
- проведена адаптация методики расчета процесса топливоподачи ди-зельных двигателей применительно к многокомпонентным смесевым био-топливам.
- в сравнительных экспериментальных исследованиях подтверждены преимущества многокомпонентных смесевых биотоплив на основе рапсово¬го масла перед нефтяным дизельным топливом.
Достоверность и обоснованность научных положений определяются:
- использованием современных методик оптимизации состава смссевого биотоплива и параметров дизельного двигателя;
- использованием современных методик расчета процесса топливопода-чи дизеля;
- совпадением результатов расчетных и экспериментальных исследова-ний, полученных при испытаниях на развернутом двигателе.
Практическая ценность состоит в том, что:
- разработанная методика сравнительной оценки различных топлив поз¬воляет определить оптимальный состав смесевых биотоплив, обеспечиваю¬щий благоприятное сочетание показателей топливной экономичности и ток¬сичности отработавших газов дизельного двигателя сельскохозяйственной машины, выполняющей основные технологические операции;
- методика расчета процесса топливоподачи, адаптированная для дизе¬ля, позволяет оценить особенности этого процесса в дизелях, работающих на многокомпонентных биотопливах;
- проведенные экспериментальные исследования дизеля, работающего на многокомпонентных биотопливах, подтвердили эффективность исполь-зования этих топлив в отечественных дизельных двигателях сельхозмашин.
Реализация результатов работы. Работа проводилась в соответствии с планами госбюджетных и хоздоговорных работ кафедры «Тракторы и авто-мобили МГЛУ им. В.П. Горячкина. Результаты исследований внедрены во Всероссийском научно-исследовательском институте использования техники и нефтепродуктов Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии) и в ЗАО «Ногинский завод топливной аппа¬ратуры».
Апробация работы:
Диссертационная работа заслушана и одобрена на заседании кафедры «Тракторы и автомобили» в МГАУ им. В.П. Горячкина в 2013 г.
По основным разделам диссертационной работы были сделаны доклады:
- на межотраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития поршневых ДВС», посвященной 80-летию кафедры су-довых ДВС и дизельных установок СПбГМТУ и 120-летию проф. В.А. Ван- шейдта, 18 ноября 2010 г., Санкт-Петербург, СПбГМТУ;
- на научно-практическом семинаре «Чтения В.Н. Болтинского»,
20-21 января 2010 г. и 22-23 января 2013 г., Москва, МГАУ
им. В.П, Горячкина;
- на международной научно-практической конференции «Трибология и экология (наука, образование, практика)», 22-23 апреля 2010 г., Москва, МГАУ им. В.П. Горячкина;
- на Всероссийском научно техническом семинаре (ВНТС) им. проф. В.И. Крутова по автоматическому управлению и регулированию теплоэнергетиче¬ских установок при кафедре «Теплофизика» (Э-6) МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2010, 2011, 2012 и 2013 г.г., Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 4 статьи (из них 4 - по перечню, рекомендованному ВАК) [31, 52, 59, 73] и 4 материала конференций [24, 25, 43, 53].
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и заключения, списка использованной литературы и приложения. Общий объем работы 182 страницы, включая 167 страниц основного текста, содержащего 67 рисунков, 28 таблиц. Список литературы включает 117 наименований на 13 страницах. Приложение на 2 страницах включает документы о внедрении резуль татов работы.

Список литературы

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
Проведенные расчетные и экспериментальные исследования показали, что применение многокомпонентных смесевых биотоплив на основе расти-тельных масел в автотракторных дизелях, а также использование методик оптимизации их состава и совершенствования процесса гопливоподачи поз-воляют значительно улучшить показатели топливной экономичности и ток-сичности ОГ дизеля. Полученные при исследованиях результаты сводятся к следующим основным выводам и рекомендациям:
1. Разработана методика сравнительного анализа эффективности ис-пользования альтернативных топлив в дизельных двигателях сельскохозяй-ственных машин, учитывающая преимущественные режимы их работы. По-казано существенное различие режимов работы дизелей сельскохозяйствен-ных машин, выполняющих технологические операции от распределения ре-жимов двигателей транспортных средств, что необходимо учитывать при анализе их экономических и экологических характеристик.
2. Для сравнительного анализа эффективности использования альтерна-тивных топлив в дизельных двигателях сельскохозяйственных машин пред-ложен четырехрежимный испытательный цикл, включающий четыре нагру-зочных режима на номинальной частоте вращения, соответствующих нагрузкам 100%, 75%, 50% и 25% с весовыми коэффициентами этих режи-мов (доля времени работы на режиме) соответственно 0,1; 0,4; 0,4 и 0,1.
3. Результаты расчетных исследований процесса топливоподачи дизель-ного двигателя типа Д-245.12С, адаптированные на программном комплексе «Впрыск», при работе на дизельном топливе и смесевых биотопливах на ре-жиме максимальной мощности показали:
- рост давлений впрыскивания при увеличении содержания РМ или МЭРМ
в смеси с нефтяным ДТ. На исследованном режиме максимальное давление
впрыскивания ДТ составило около 49,5 МПа, МЭРМ - 53,5 МПа, РМ - 57,0 МПа;
- подтвердилась тенденция увеличения объемной и массовой цикловых по-дач смесевого биотоплива при росте содержания РМ или МЭРМ в смеси с нефтяным ДТ. Так цикловая подача ДТ оказалась равна 67,6 мг, МЭРМ - 73,7 мг (рост 9%), РМ - около 76,0 мг (рост 12%);
- рост доли РМ или МЭРМ в смеси с нефтяным ДТ сопровождался увеличе-нием действительного угла опережения начала подачи топлива. Так впрыс-кивание МЭРМ и РМ вместо ДТ увеличило угол на 0,4-0,5 град.;
- повышение нагрузок на привод ТНВД при увеличении содержания РМ или МЭРМ в смеси с нефтяным ДТ. Так максимальный крутящий момент на кулачковом валу ТНВД оказался равным при работе на ДТ - 61,5 Н м, при работе на МЭРМ - 71,5 Н м (рост 16%), при работе на РМ - 73,5 РГм (рост 19%), что необходимо учитывать при использовании этих топлив.
4. Разработана методика оптимизации состава многокомпонентных био¬топлив для автотракторных дизелей, базирующаяся на использовании обоб¬щенной целевой функции относительных безразмерных показателей топлив¬ной экономичности и токсичности ОТ. Оценка топливной экономичности дизеля производилась по эффективному КПД, а токсичности ОГ - по выбро¬сам оксидов азота, монооксида углерода и несгоревших углеводородов. Апробация методики проведена на режимах предложенного для дизелей сельскохозяйственных машин четырехрежимного цикла.
5. Сравнительные экспериментальные исследования дизеля Д-245.12С на дизельном и многокомпонентных топливах:
- биотопливо № 1 (смесь 90% ДТ, 5% РМ и 5% МЭРМ);
- биотопливо № 2 (смесь 80% ДТ, 10% РМ и 10% МЭРМ);
- биотопливо № 3 (смесь 60% ДТ, 20% РМ и 20% МЭРМ),
подтвердили возможность снижения выбросов токсичных компонентов ОГ при их использовании.
6. Наилучшие показатели дизеля, оцененные по разработанным методи-кам получены с биотопливом №2 (наименьшее значение обобщенного кри-терия J0 ОТН=0,920). При этом достигнуто улучшение всех интегральных пока¬зателей дизеля на режимах предложенного испытательного цикла для дизе¬лей сельскохозяйственных машин - выброс оксидов азота снизился на 6,9 %, выброс монооксида углерода - на 10,4%, выброс несгорсвших углеводоро¬дов - на 11,7%, условный эффективный КПД возрос на 0,3%.
7. При исследовании биотоплива № 2 по правилам R 49 (тринадцатире-жимный цикл для определения интегральных показателей токсичности ОГ двигателей транспортных машин) получено следующее снижение: оксидов азота - на 2,9%, монооксида углерода - на 6,0%, несгоревших углеводородов — на 5,8%, дымности ОГ на 30-45%. При этом условный эффективный КПД дизеля г|е усл оставался неизменным (цс усл=0,342). Эти данные подтверждают необходимость учета особенностей распределения режимов работы двигате-лей сельскохозяйственных машин при оценке эффективности применения альтернативных топлив.