Автореферат (Методы повышения эффективности работы дизеля при использовании этанола в качестве экологической добавки к дизельному топливу)

На правах рукописиБирюков Владимир ВладимировичМЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫДИЗЕЛЯ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЭТАНОЛАВ КАЧЕСТВЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ДОБАВКИК ДИЗЕЛЬНОМУ ТОПЛИВУСпециальность 05.04.02 - «Тепловые двигатели»Авторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква - 2017Работавыполненавфедеральномгосударственномбюджетномобразовательномучреждениивысшегообразования«Московскийгосударственный технический университет им. Н.Э. Баумана (национальныйисследовательский университет)»Научный руководитель:Марков Владимир Анатольевич,доктор технических наук, профессор, заведующийкафедрой поршневых двигателей МГТУ им.Н.Э.

БауманаОфициальные оппоненты:Ерохов Виктор ИвановичзаслуженныйдеятельнаукиРФ,доктортехническихнаук,профессоркафедрыэкологической безопасности технических системФГБОУ ВО «Московский политехническийуниверситет»Козлов Андрей Викторовичдоктор технических наук, заведующий отделомтеории рабочих процессов и имитационногомоделирования энергетических установок ГНЦРФ ФГУП «НАМИ»Ведущая организация:Федеральноегосударственноебюджетноеобразовательноеучреждениевысшегообразования«Российскийгосударственныйаграрный университет - МСХА им. К.А. Тими­рязева»Защита диссертации состоится 3 октября 2017 г. в 15.45 на заседаниидиссертационного совета Д 212.141.09 при МГТУ им.

Н.Э. Баумана поадресу: 105005, Москва, Рубцовская наб., д. 2/18, Учебно-лабораторный корпус,ауд. 947.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Бауманаи на сайте www.bmstu.ru.Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатьюучреждения, просим направлять по адресу: 105005, Москва, 2-я Бауманская ул.,д.5, стр. 1, МГТУ им. Н.Э. Баумана, ученому секретарю диссертационногосовета Д 212.141.09.Автореферат разослан «____» __________ 2017 г.Ученый секретарь диссертационного совета,кандидат технических наук, доцентТумашев Р.З.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность диссертационной работы обусловлена необходимостьюулучшения показателей токсичности отработавших газов (ОГ) дизелей.Эффективным методом улучшения названных показателей являетсяиспользование этанола в качестве кислородсодержащей добавки к дизельномутопливу.

Такая добавка этанола позволяет улучшить качество протеканияпроцессов распыливания топлива, смесеобразования и сгорания и, тем самымснизить выбросы оксидов азота и сажи с ОГ. Вместе с тем, одной из основныхпроблем применения этанола в качестве кислородсодержащей добавки являетсяего плохая смешиваемость с нефтяными и многими альтернативнымитопливами. Эта проблема может быть решена путем использованияабсолютного (безводного) этанола.

Другое направление применения этанола вкачестве кислородсодержащей добавки - использование эмульсий этанола сразличными топливами. При этом возникают эффекты, способствующиеулучшению качества процессов распыливания топлива, смесеобразования исгорания. В первую очередь - это турбулизация потока топлива в распылителяхфорсунок за счет образования паровой фазы и струй распыливаемогоэмульгированного топлива за счет быстрого выкипания этанола из топлива. Врезультате удается заметно снизить выбросы основных токсичных компонентовОГ дизелей - оксидов азота и сажи. При анализе проблем использованияэтанола в качестве кислородсодержащей присадки необходимо проведениекомплекса расчетно-экспериментальных исследований, направленных наисследование названных эффектов и на исследование параметров дизеля,работающих на смесевых и эмульгированных топливах с добавкой этанола.Результаты этих исследований будут способствовать достижению требуемыхпоказателей токсичности ОГ современных транспортных дизелей.Цель работы: разработка методов повышения эффективности работыдизеля при использовании этанола в качестве экологической добавки кдизельному топливу.Методы исследований.

Поставленная в работе цель достигаетсясочетанием теоретических и экспериментальных методов. С помощьютеоретических методов проведены расчетные исследования вязкости смесевыхбиотоплив и параметров потока различных топлив в проточной частираспылителей форсунок, а также оценка экологических показателей смесинефтяного дизельного топлива и этанола. Экспериментальная часть работызаключалась в определении показателей дизеля, работающего на смесевыхбиотопливах с добавкой этанола.Научная новизна работы заключается в следующем:- разработана методика расчета вязкости биотоплив на основе растительныхмасел и эмульгированного биотоплива;- разработана методика расчета показателей потока эмульгированногобиотоплива в проточной части распылителей дизельных форсунок;- разработана методика сравнительной оценки экологических качествнефтяного дизельного топлива и смесевого биотоплива с добавкой этанола.1Достоверность и обоснованность научных положений определяются:- использованием современных методик расчета показателей потока топлива впроточной части распылителей форсунок;- использованием современных методик сравнительной оценки экологическихкачеств различных топлив;- совпадением результатов расчетных и экспериментальных исследований,полученных при испытаниях на развернутом двигателе.Практическая ценность состоит в том, что:- разработанная методика расчета вязкости эмульгированного биотоплива ипроведенные по этой методике расчеты позволили оценить вязкость эмульсиирапсового масла и этанола;- разработанная методика расчета показателей потока топлива в проточнойчасти распылителей дизельных форсунок и проведенные расчетныеисследования позволили оценить влияние свойств эмульсии рапсового масла иэтанола на параметры процесса топливоподачи;- проведенные экспериментальные исследования дизеля, работающего наэмульсиях рапсового масла и этанола, подтвердили эффективность ихиспользования для улучшения показателей токсичности отработавших газовдизеля;- проведенные экспериментальные исследования дизеля, работающего на смесинефтяного дизельного топлива с добавкой абсолютного этанола, подтвердилиэффективность ее использования в отечественных дизелях;- разработанная методика сравнительной оценки экологических качествнефтяного дизельного топлива и смесевого биотоплива с добавкой этанола ипроведенные оптимизационные расчеты показали возможность использованияэтой методики при разработке практических рекомендаций по выборуоптимальной добавки этанола.Реализация результатов работы.

Работа проводилась в соответствии спланами госбюджетных и хоздоговорных работ кафедр поршневых двигателейи теплофизики МГТУ им. Н.Э. Баумана, а также лаборатории «Автоматика»НИИЭМ МГТУ им. Н.Э. Баумана. Результаты исследований внедрены в ООО«ППП «Дизельавтоматика», г. Саратов и в ЗАО «Форант-Сервис» (г. Ногинск).Апробация работы:Основные положения и результаты диссертации обсуждались:- на заседании кафедры поршневых двигателей МГТУ им.

Н.Э. Баумана(Москва, 2017 г.);- на международной научно-технической конференции «6-е Луканинскиечтения. Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе»в ГТУ «МАДИ» (Москва, 2013 г.);- на международной научно-технической конференции «Двигатель-2017»,посвященной 110-летию кафедры поршневых двигателей МГТУ им. Н.Э.Баумана (Москва, 2017 г.);- на заседаниях Всероссийской научно-технической конференции (ВНТК) им.проф. В.И. Крутова по автоматическому управлению и регулированию2теплоэнергетических установок при кафедре Теплофизики МГТУ им. Н.Э.Баумана (Москва, 2014-2017 г.г.).Публикации.

По теме диссертации опубликовано 8 научных статей - все вжурналах, включенных в перечень ВАК рецензируемых ведущих научныхжурналов и изданий. Также по теме диссертации опубликовано 6 материалов поитогам конференций.Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырехглав, основных выводов и заключения, списка использованной литературы иприложения.

Общий объем работы 171 страница, включая 146 страницосновного текста, содержащего 62 рисунка и 30 таблиц. Список литературысодержит 187 наименований на 20 страницах. Приложение на 8 страницахвключает листинг программы аппроксимации экспериментальных данных повязкости эмульсионной смеси и документы о внедрении результатовдиссертационной работы.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность проведения работ, направленных наадаптацию дизелей к работе на этаноле и других биотопливах, дана общаяхарактеристика диссертационной работы.В первой главе диссертации проведен анализ работ, посвященныхпроблемам использования биотоплив в дизелях.

Рассмотрены направления итенденции развития мирового топливно-энергетического комплекса и типыбиотоплив, используемых в транспортных дизелях. Проведен анализпоказателей топливной экономичности и токсичности ОГ дизелей, средств иметодов снижения вредных выбросов. Показана эффективность использованиябиотоплив для снижения токсичности ОГ.

При этом наибольшимипреимуществамиобладаютсмесевыеиэмульгированныетоплива.Перспективность использования биотоплив, в особенности смесевых иэмульгированных топлив, обоснована в трудах отечественных ученых Л.В.Грехова, С.В. Гусакова, С.Н.

Девянина, В.И. Ерохова, Н.А. Иващенко, Р.З.Кавтарадзе, А.С. Кулешова, А.Р. Кульчицкого, В.А. Лиханова, В.И. Мальчука,В.А. Маркова, Н.Н. Патрахальцева, Г.С. Савельева, А.М. Сайкина, А.С.Хачияна, М.Г. Шатрова и ряда других. На основании анализа состоянияпроблемы были сформулированы цель работы и следующие задачиисследования:1. Оценка эффективности различных направлений использования этанола вкачестве экологической добавки к дизельному топливу.2.

Разработка методики расчета вязкости нефтяного дизельного топлива,биотоплив на основе растительных масел и эмульгированного биотоплива сдобавкой этанола.3. Расчетные исследования вязкости нефтяного дизельного топлива,биотоплив на основе растительных масел и эмульгированного биотоплива сдобавкой этанола.4. Разработка методики расчета показателей потока эмульгированногобиотоплива с добавкой этанола в проточной части распылителей дизельных3форсунок.5. Расчетные исследования показателей потока эмульгированногобиотоплива с добавкой этанола в проточной части распылителей дизельныхфорсунок.6.

Проведение экспериментальных исследований показателей дизеля,работающего на эмульгированных биотопливах - эмульсиях рапсового масла иэтанола.7. Проведение экспериментальных исследований показателей дизеля,работающего на смесевых биотопливах - смесях нефтяного дизельного топливаи абсолютного этанола.8. Разработка методики сравнительной оценки экологических качествнефтяного дизельного топлива и смесевого биотоплива с добавкой этанола.Во второй главе представлены результаты расчетных исследованийтечения нефтяного и эмульгированного топлива в распылителях дизельныхфорсунок. Отмечено значительное влияние вязкостных характеристикбиотоплив на процессы топливоподачи, впрыскивание и распыливание топлива.Рассмотрены вязкостные характеристики самих растительных масел, а также ихэмульсий с этанолом, и проведены расчетные исследования вязкости этихтоплив. При этом использованы известный логарифмический и предложенныйавторами алгебраический аппроксимационные подходы для аппроксимациикинематической вязкости топлив от их температуры и состава.