Диссертация (Методы повышения эффективности работы дизеля при использовании этанола в качестве экологической добавки к дизельному топливу), страница 19

4.3, г). При переводе дизеля сДТ на смесь 96% ДТ и 4% этанола на режиме холостого хода при n=900 мин-1отмечен небольшой рост значения CСНх от 0,0240 до 0,0270 % (от 240 до 270ppm), на режиме максимального крутящего момента при n=1500 мин-1концентрация ССНх увеличилась от 0,0170% до 0,0180%, а на режимемаксимальной мощности при n=2400 мин-1 – от 0,0108% до 0,0115%.Полученные при испытаниях концентрации в ОГ оксидов азота СNОх,монооксида углерода СCO, несгоревших углеводородов СCНх (Рис.

4.3, б, в, г)пересчитывались в массовые выбросы (ЕNОх, ЕCO, ЕCНх) и затем в интегральныеудельные массовые выбросы на режимах 13-режимного испытательного цикла(соответственно еNОх, еCO, еCНх). Оценка эксплуатационного расхода топлива нарежимах 13-режимного цикла проведена по среднему (условному) удельномуэффективному расходу топлива, который определялся с использованиемэкспериментальных данных Рис. 4.3, а и зависимости [47, 69]:13213g e усл  Gт i  Kii 113, N e i  Kii 1где Gт i и Ne i – часовой расход топлива и эффективная мощность двигателя на iтом режиме; Ki – доля времени этого режима в 13-режимном цикле.

Посколькурассматриваемоесмесевоебиотопливоимеетменьшуютеплотворнуюспособность, топливную экономичность дизеля при его работе на этом топливецелесообразно оценивать не только удельным эффективным расходом топливаgе, но и эффективным КПД дизеля ηе. Причем, для интегральной оценки работыдизеля на режимах 13-режимного цикла использован условный эффективныйКПД, определяемый из соотношенияe усл 3600,HU  ge услгде HU – низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг. Результаты расчетов,представленные в Таблице 29, подтверждают возможность улучшенияэкологических показателей дизеля типа Д-245.12С при его переводе с ДТ насмесь 96% ДТ и 4% этанола.

Так, при подаче в КС дизеля исследуемогосмесевого биотоплива на режимах максимальной мощности и максимальногокрутящего момента дымность ОГ снизилась на 15-25% по сравнению сиспользованием нефтяного ДТ. Удельный массовый выброс наиболеезначимого токсичного компонента ОГ – оксидов азота eNOx на режимах 13режимного цикла снизился с 7,018 до 5,798 г/(кВтч), т.е. на 17,4%. Удельныймассовый выброс монооксида углерода eСO возрос с 1,723 до 1,879 г/(кВтч),т.е.

на 9,0%. Удельный массовый выброс несгоревших углеводородов eСНхувеличился с 0,788 до 0,856 г/(кВтч), т.е. на 8,6%. Но следует отметить, чтовыбросы СО и СНх эффективно снижаются установкой в выпускной системедвигателя каталитических нейтрализаторов. Условный эффективный КПДдизеля ηе усл незначительно снизился (с 0,341 до 0,338, т.е. на 0,8%), однако этоснижение соизмеримо с точностью его определения. В целом, проведенные133исследованияподтвердиливозможностьэффективногоиспользованияабсолютного этанола как экологической добавки к нефтяному дизельномутопливу. В то же время целесообразно разработать методику сравнительнойоценки экологических качеств нефтяного дизельного топлива и смесевогобиотоплива с добавкой этанола.4.3. Методика сравнительной оценки экологических качествнефтяного дизельного топлива и смесевого биотопливас добавкой этанолаПроведенный в предыдущем разделе анализ показывает, что оценкаэкологических качеств различных топлив достаточно сложна и не имеетоднозначного решения.

Это обусловлено тем, что работа дизеля характеризуетсяцелым комплексом показателей (критериев) токсичности ОГ. В результатезадача сравнительной оценки экологических качеств нефтяного дизельноготопливаисмесевогобиотопливасдобавкойэтаноластановитсямногокритериальной оптимизационной задачей [18, 69].Известны различные методики решения многокритериальных задачоптимизации,которыеоптимизируемыхклассифицируютсяпараметров,количествавзависимостикритериевчислаоптимальности,особенностей их задания и определения степени их значимости.

Наиболееизвестнымиметодикамиявляютсяоптимизацияиерархическойпоследовательности частных критериев, определение решения, основанное натом или ином виде компромисса, определение множества неулучшаемых точек[69]. Применительно к задаче сравнительной оценки экологических качествнефтяного дизельного топлива и смесевого биотоплива с добавкой этаноламожно использовать методику, приведенную в работе [69]. Она основана наодном из наиболее эффективных методов оптимизации – метод свертки, прикотором обобщенный критерий оптимальности формируется в виде суммычастных критериев:134J о  ae Je  aNO x J NO x  aCO J CO  aCHx J CHx ,(4.1)где Jηе, JNOx, JCO, JCHx – частные критерии оптимальности соответственно потопливной экономичности (эффективному КПД ηе), выбросам NOx, CO, CHx;aηе, aNOx, aCO, aCHx – весовые коэффициенты частных критериев оптимальности.Частные критерии оптимальности, входящие в выражение (4.1), предлагаетсяопределять на каждом i-том режиме из соотношенийJe  e дт /e i ;J NO x  eNO x i / eNO x дт ;J CO  eCO i / eCO дт ;J CHx  eCHx i / eCHx дт ,(4.2)где ηе дт, eNOx дт, eCO дт, eCHx дт – параметры дизеля, работающего на нефтяном ДТ;ηе i, eNOx i, eCO i, eCHx i – параметры дизеля, работающего на i-том топливе (смесинефтяного ДТ и ЭС).

При решении оптимизационной задачи с использованиемформулы (4.1) обобщенный критерий оптимальности Jo минимизируется. Приэтом удельные массовые выбросы токсичных компонентов ОГ eNOx i, eCO i, eCHx i(числители выражений для частных критериев JNOx, JCO, JCHx) минимизируются,а эффективный КПД ηе i (знаменатель выражения для частного критерия Jηе) –максимизируется.Наиболее сложной проблемой использования этой методики являетсявыбор значений весовых коэффициентов частных критериев оптимальности,который не имеет однозначного решения. Еще один недостаток даннойметодики заключается в том, что не учитывается такой важный показательработы дизеля, как дымность ОГ.

Следует также отметить и трудоемкостьиспользования этой методики, обусловленную необходимостью расчетов сразучетырех частных критериев и их суммы – обобщенного критерия. Причем,каждый из частных критериев формулы (4.1) вычисляется как результатсуммирования данных по соответствующим показателям на тринадцатирежимах (в монографии [69] рассматривается работа дизеля на режимах 13режимного цикла норм ЕСЕ R49). При оценке интегральной токсичности ОГ135двигателя на режимах такого цикла на каждом режиме определяютсяконцентрации в ОГ токсичных компонентов (СNOx, СCO, СCHx, СТЧ) ирассчитываются их часовые массовые выбросы (ENOx, ECO, ECHx, EТЧ).Полученные значения вредных выбросов суммируют за весь цикл по каждомукомпоненту (с учетом весовых коэффициентов Ki, отражающих долю временикаждого режима) и затем делением на условную среднюю мощность дизеля заиспытательный цикл (NeiKi) определяют удельные выбросы вредных веществпо формулам [69]:1313 ENOx i  KieNOx  i 113 ECO i  Ki, N e i  KieCO  i 113 N e i  Kii 113 ECHx i  Ki,eCHx  i 113 N e i  Kii 1,i 113 Eтч i  Kiieтч  113 N e i  Kii 1.(4.3)Таким образом, для определения каждого из частных критериев (4.3)необходимо определить и рассчитать соответствующие показатели дизеля (Nei,СNOx, СCO, СCHx, СТЧ, ENOx, ECO, ECHx, EТЧ, eNOx, eCO, eCHx, eТЧ) на 13-тиисследуемых режимах работы дизеля.С целью устранения указанных недостатков рассмотренной методики присравнительной оценке экологических качеств нефтяного дизельного топлива исмесевого биотоплива предлагается использовать следующую методику.

Вопервых, желательно сократить число частных критериев оптимальностивыражения (4.1). При этом выше отмечено незначительное изменениеэффективного КПД е исследуемого дизеля Д-245.12С при его переводе снефтяного ДТ на смесевое биотопливо (Таблицу 29). Следует также отметить,что в связи с поэтапным введением все более жестких норм на выбросывредных веществ с ОГ дизелей транспортного назначения и необходимостью136выполнения ограничений на токсичность их ОГ экологические показатели ДВСстановятся приоритетными.

Поэтому, реализация мероприятий по снижениютоксичных выбросов зачастую сопровождается ухудшением показателейтопливнойявляютсяэкономичности.уменьшениеПримерамиУОВТ(позднеереализациитакихвпрыскивание)имероприятийорганизациярециркуляции ОГ с целью снижения выброса оксидов азота, которые частосопровождаются увеличением расхода топлива [69]. При решении задачисравнительной оценки экологических качеств нефтяного дизельного топлива исмесевого биотоплива указанные факторы позволяют не учитывать частныйкритерий, характеризующий топливную экономичность исследуемого дизеля.Во-вторых,известно,чтоизгазообразныхнормируемыхтоксичныхкомпонентов ОГ дизелей наиболее значимыми являются оксиды азота NOх.

Ихдоля в суммарных токсичных выбросах дизелей составляет от 30% до 80% помассе и от 60% до 95% по эквивалентной токсичности [69]. Другим важнейшимтоксичным компонентом ОГ дизелей считаются твердые частицы (выброс сажиили дымность ОГ). Высокая потенциальная опасность этих частиц обусловленаих способностью аккумулировать на своей поверхности многие известныеканцерогены и мутагены, а также незначительными размерами частиц,позволяющими им проникать в органы дыхания человека и накапливаться вних.

Еще два нормируемых токсичных компонента – монооксид углерода СО илегкиенесгоревшиеуглеводородыСНxимеютзначительноменьшуютоксикологическую значимость. Так, в соответствии с данными работы [69]токсикологическая значимость СО, NOx, СHx, твердых частиц и оксидов серыSOx оценивается как отношение 1:41,1:3,16:200:22. Кроме того, выброс СО иСНx значительно снижается при использовании средств очистки ОГ(установкой нейтрализаторов).Приформированииобобщенногокритерияоптимальности,характеризующего экологические качества нефтяного дизельного топлива исмесевого биотоплива, указанные факторы позволяют использовать всего два137основных частных критерия – эмиссию оксидов азота и твердых частиц (илидымность ОГ).

Причем, концентрации в ОГ дизелей этих токсичныхкомпонентов СNOx и Стч находятся в противоречивой зависимости (увеличениеодного показателя как правило сопровождается уменьшением другого) [30].Необходимо отметить, что определение концентрации в ОГ дизелейтвердых частиц Стч является достаточно сложной и трудоемкой техническойзадачей. При этом используется дорогостоящее оборудование (тоннель),которое имеется лишь в нескольких исследовательских центрах России.Значительно проще и доступнее определение дымности ОГ с использованиемнедорогих и распространенных дымомеров.