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

Московский государственный технический университетимени Н.Э. Баумана (НИУ)На правах рукописиБИРЮКОВ Владимир ВладимировичМЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫДИЗЕЛЯ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЭТАНОЛАВ КАЧЕСТВЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ДОБАВКИК ДИЗЕЛЬНОМУ ТОПЛИВУСпециальность 05.04.02 – «Тепловые двигатели»Диссертацияна соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель доктор технических наук,профессор В.А.

МарковМосква – 20172ОГЛАВЛЕНИЕСтр.Список основных обозначений……………………………………………….4Введение………………………………………………………………………..6Глава 1. Обоснование целесообразности использования биотоплив втранспортных дизелях………………………………………………………...111.1. Тенденции развития мирового топливно-энергетическогокомплекса и типы биотоплив, используемых в транспортныхдизелях…………………………………………………………………..111.2. Спиртовые топлива и направления их использования вдвигателях внутреннего сгорания……………………………………..141.3. Показатели топливной экономичности и токсичностиотработавших газов дизелей…………………………………………241.4.

Цель работы и задачи исследования…………………………….34Глава 2. Расчетные исследования течения нефтяного и эмульгированноготоплива в распылителях дизельных форсунок………....................................372.1. Направления использования биотоплив в транспортныхдизелях…………………………………………………………………..372.2. Физико-химические свойства рапсового масла и этанола………392.3. Иследования вязкостных характеристик биотоплив…………….412.4.

Обоснование целесообразности моделирования течениятоплива в проточной части распылителя форсунки………………….642.5. Моделирование течения топлива в распылителях форсунокпри использовании различных топлив………………………………..692.6. Основные результаты и выводы по второй главе………………..100Глава 3. Экспериментальные исследования дизеля, работающего наэмульсиях рапсового масла и этанола………………………………………..3.1. Методы решения проблем использования этанола в качестве1033Стр.моторного топлива для дизелей………………………………………..1033.2. Экспериментальные исследования дизеля, работающего насмесях рапсового масла и этанола…………………………………......1103.3.

Основные результаты и выводы по третьей главе……………….119Глава 4. Экспериментальные исследования дизеля, работающего насмесях нефтяного дизельного топлива и абсолютного этанола…………… 1214.1. Проблема получения стойких смесей нефтяных топлив иэтанола…………………………………………………………………..1214.2. Экспериментальные исследования дизеля, работающего нанефтяном дизельном топливе и его смеси с абсолютнымэтанолом…………………………………………………………………1234.3. Методика сравнительной оценки экологических качествнефтяного дизельного топлива и смесевого биотоплива с добавкойэтанола…………………………………………………………………...1334.4 Основные результаты и выводы по четвертой главе……………..141Основные выводы и заключение …………………………………………….144Список литературы………………………………………………………........147Приложение…………………………………………………………………....166.4СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙДВС – двигатель внутреннего сгорания;ВИЭ – возобновляемые источники энергии;ВМТ – верхняя мертвая точка;ВСХ – внешняя скоростная характеристика;ВТЭ – водотопливная эмульсия;ГМ – горчичное масло;ДТ – дизельное топливо;ИПС – изопропиловый спирт;КМ – кукурузное масло;КПГ – компримированный природный газ;КПД – коэффициент полезного действия;КС – камера сгорания;ОГ – отработавшие газы;ПАВ – поверхностно-активные вещества;ПАУ – полициклические ароматические углеводороды;ПЗВ, τi – период задержки воспламенения;ПК – программный комплекс;п.к.в.

– поворот коленчатого вала двигателя;ПМ – подсолнечное масло;РМ – рапсовое масло;СМ – соевое масло;СПГ – сжиженный природный газ;СУГ – сжиженный углеводородный газ;ТА – топливоподающая аппаратура;ТНВД – топливный насос высокого давления;ТЧ – твердые частицы;УОВТ, θ – угол опережения впрыскивания топлива;5ЦЧ – цетановое число;ЭС – этиловый спирт;РР – масло Pongamia Pinnata;NOx, CO, CHx – оксиды азота, монооксид углерода, углеводороды;СNOx, СCO, СCHx – их объемные концентрации в ОГ;ЕNOx, ЕCO, ЕCHx – их часовые массовые выбросы;еNOx, eCO, eCHx – их удельные массовые выбросы;Gт, Gтопл – часовой расход топлива;ge, geусл– удельный эффективный расход топлива; условный удельныйэффективный расход топлива;KХ – дымность ОГ по шкале Хартриджа;ηe, ηe усл – эффективный КПД дизеля; условный эффективный КПД;iр – число распыливающих отверстий;dр, lр, lр тек – диаметр, длина и текущая длина распыливающего отверстия;L, В, β – длина, ширина и угол струи распыливаемого топлива;hи, hи max – подъем и максимальный подъем иглы форсунки;μрfр – эффективная площадь распылителя в сборе;рвпр, рвпр max – давление впрыскивания, максимальное давление впрыскивания;ртопл, ртопл вх, ртопл вых – давление топлива; давление топлива на входе и выходе израспыливающего отверстия;Eтурб – турбулентная энергия потока топлива;Qгаз – объемная доля газовой фазы в топливе;Qэс – объемная доля капель этилового спирта в топливе;Vакс – аксиальная скорость течения топлива;n, nтн – частоты вращения двигателя и топливного насоса;Ne, Ме – эффективная мощность двигателя и его крутящий момент;α – коэффициент избытка воздуха;ρ, ν, μ – плотность, кинематическая и динамическая вязкость.6ВВЕДЕНИЕНа современном этапе развития двигателестроения в качестве основныхпоказателей двигателей внутреннего сгорания рассматриваются показателитопливной экономичности и токсичности отработавших газов.

Транспортныедвигатели являются основным источником выбросов токсичных веществ ватмосферу. Так, например, доля автомобильного транспорта в выбросевредных веществ составляет в США 60,6 %, в Англии – 33,5 %, во Франции –32%.ВМосквегодовыесуммарныевыбросывредныхвеществавтотранспортом достигают 1,7 млн. тонн. Поэтому одним из приоритетныхнаправлений совершенствования поршневых двигателей является улучшениеих экологических показателей, в первую очередь – показателей токсичностиотработавших газов. В качестве эффективного средства улучшения названныхпоказателей рассматривается применение различных альтернативных топлив.Средиальтернативныхтопливнеобходимовыделитьбиотоплива,вырабатываемые из различного растительного сырья.

Привлекательность этихтоплив обусловлена практически неисчерпаемой сырьевой базой для ихпроизводства и хорошими экологическими качествами. К биотопливамследует, в первую очередь, отнести биоэтанол, а также топлива, производимыеиз растительных масел. Они имеют приемлемую стоимость и могут бытьиспользованывкачествемоторныхтопливдлядизелей.Широкоеиспользование биоэтанола сдерживается отличиями его физико-химическихсвойств от аналогичных свойств нефтяных дизельных топлив. Эта проблемаможет быть решена путем использования смесевых и эмульгированных топлив,т.е.

смесей этанола с нефтяными или альтернативными топливами.Диссертационнаяработапосвященапроблемамиспользованиябиоэтанола в качестве биодобавки к моторному топливу для транспортныхдизелей.Вдиссертациипроведенаоценкаэффективностиразличныхнаправлений использования этанола в качестве экологической добавки к7дизельному топливу. Разработана методика расчета показателей вязкостинефтяного дизельного топлива, биотоплив на основе растительных масел иэмульгированного биотоплива с добавкой этанола.

Проведены расчетныеисследования вязкости этих топлив. Разработана методика расчета показателейпотока эмульгированного биотоплива с добавкой этанола в проточной частираспылителей дизельных форсунок и проведены его расчетные исследования.Проведеныэкспериментальныеисследованияпоказателейдизеля,работающего на эмульгированных биотопливах – эмульсиях рапсового масла иэтанола, а также экспериментальные исследования показателей дизеля,работающего на смесевых биотопливах – смесях нефтяного дизельноготоплива и абсолютного этанола. Разработана методика сравнительной оценкиэкологических качеств нефтяного дизельного топлива и смесевого биотопливас добавкой этанола.Актуальность диссертационной работы обусловлена необходимостьюулучшенияпоказателейЭффективнымметодомтоксичностиулучшенияотработавшихназванныхгазовдизелей.показателейявляетсяиспользование 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 отработавшими газами. Вместе с тем,однойизосновныхкислородсодержащейпроблемдобавкипримененияявляетсяегоэтанолаплохаявкачествесмешиваемостьснефтяными и многими альтернативными топливами. Эта проблема может бытьрешена путем использования абсолютного (безводного) этанола. Другоенаправление применения этанола в качестве кислородсодержащей добавки –использование эмульсий этанола с различными топливами. При этомвозникаютэффекты,способствующиеулучшениюкачествапроцессовраспыливания топлива, смесеобразования и сгорания. В первую очередь – этотурбулизация потока топлива в распылителях форсунок за счет образования8паровой фазы и струй распыливаемого эмульгированного топлива за счетбыстрого выкипания этанола из топлива. В результате удается заметно снизитьвыбросы основных токсичных компонентов отработавших газов дизелей –оксидов азота и сажи.