Диссертация (Методы повышения эффективности работы дизеля при использовании этанола в качестве экологической добавки к дизельному топливу), страница 20

При этом известно, что нарежимах работы дизеля с низкими коэффициентами избытка воздуха (<1,21,3) сажа составляет большую часть массы твердых частиц (до 95-98 %). Вцелом фракционный состав твердых частиц выглядит следующим образом:углеродная фракция (среднее содержание - 75 %, диапазон значений – 33-90%), органическая фракция (19 %, 7-49 %), сульфаты, нитраты (1 %, 1-4 %),металлы и другие элементы (2 %, 1-5 %), прочее (3 %, 1-10 %) [69]. Этопозволяет использовать зависимости, практически однозначно (с высокимкоэффициентом корреляции) связывающие эмиссию твердых частиц идымность ОГ. В связи с этим, в предлагаемой методике сравнительной оценкиэкологических качеств нефтяного дизельного топлива и смесевого биотопливав качестве двух основных частных критериев оптимизации принятыконцентрации в ОГ оксидов азота и сажи (дымность ОГ).При определении эксплуатационных режимов, которые целесообразноучитывать при решении рассматриваемой задачи, необходимо иметь ввидуследующиефакторы.ВЕвропедизелигрузовыхавтомобилейгрузоподъемностью более 3,5 тонн (для автобусов с числом посадочных местсвыше 9) до 2000 г.

испытывались в стендовых условиях на установившихсярежимах, соответствующих режимам 13-режимного цикла ЕСЕ R49 (Рис. 4.2).Этот испытательный цикл включает тринадцать установившихся режимов: три138режима холостого хода с минимальной частотой вращения n=0,25-0,3 nном(всего 25% времени работы), пять нагрузочных режимов (10, 25, 50, 75, 100%нагрузки) при номинальной частоте вращения nном и пять нагрузочныхрежимов (10, 25, 50, 75, 100% нагрузки) при частоте вращения nMmax=0,6-0,7nном, соответствующей максимальному крутящему моменту двигателя. Доляноминального режима составляет 10% (режим № 8 на Рис.

4.2) от общеговремени работы двигателя, а доля режима максимального крутящего момента(режим № 6 на Рис. 4.2) – 25%. В соответствии с ГОСТ 17.2.2.01-84 –«Дымность отработавших газов дизелей» и Правилами ЕЭК R 24-02 ООНдымность ОГ определяется только на режимах ВСХ [69]. При этом наиболееважнымирежимамитакжеявляютсярежиммаксимальноймощности(номинальный режим) и режим максимального крутящего момента. С учетомизложенныхфакторовдлярешениязадачисравнительнойоценкиэкологических качеств нефтяного ДТ и смесевого биотоплива, используемых вдизеле, предложено использовать метод свертки.

При этом частные критерииоптимальности сводятся к обобщенному критерию Jо, определяемому в видесуммы основных частных критериев, характеризующих концентрацию в ОГоксидов азота JNOx и дымность ОГ по шкале Хартриджа JKx, в соответствии свыражением:J о  J NOx  J K Х .(4.4)Проведенный выше анализ показал, что при сравнительной оценкеэкологических качеств нефтяного ДТ и смесевого биотоплива в первуюочередь целесообразно учитывать принятые основные показатели токсичностиОГ на двух основных режимах– максимальной мощности Nmax имаксимального крутящего момента Mmax. Тогда выражение (4.4) принимает видJ о  J NOx Nmax  J NOx Mmax  J KХ Nmax  J KХ Mmax ,(4.5)139где JNOxNmax,JNOxMmax,JKxNmax, JNOxМmax– частные критерии оптимальности(концентрация в ОГ оксидов азота и дымность ОГ по шкале Хартриджа) науказанных режимах.Поскольку в предлагаемой методике в качестве частных критериевоптимальности выбраны концентрация в ОГ оксидов азота СNOx и дымность ОГпо шкале Хартриджа KХ, имеющие различную размерность, целесообразно ихиспользование в относительных величинах в следующем виде:J NO x N max  CNO x N max i / CNO x N max дт ;J NO x M max  CNO x M max i / CNO x M max дт ;J K Х N max  KХ N max i / KХ N max дт ;J K Х M max  KХ M max i / KХ M max дт ,(4.6)где параметры с индексом «дт» соответствуют нефтяному ДТ, а параметры синдексом «i» – смесевому биотопливу с добавкой этанола.Обобщенный критерий оптимальности (4.5) также удобно использовать вотносительном виде:J о  J о i /J о дт ,Такимобразом,(4.7)предложеннаяметодикасравнительнойоценкиэкологических качеств нефтяного ДТ и смесевого биотоплива предполагаетформирование обобщенного аддитивного критерия оптимальности в виде (4.5)или (4.7).

При этом частные критерии оптимизации, характеризующиеконцентрацию в ОГ оксидов азота JNOx и дымность ОГ по шкале Хартриджа JKxна двух основных режимах – максимальной мощности Nmax и максимальногокрутящего момента Mmax, определяются по выражениям (4.6). Эта методика непредполагает ранжирования (определения значимости) этих частных критериевоптимальности путем задания соответствующих весовых коэффициентов, как140это принято в выражении (4.1). Кроме того, эта методика отличается отметодики (4.1) существенно меньшим объемом вычислений.Предложенная методика использована для сравнительной оценкиэкологических качеств нефтяного ДТ и смесевого биотоплива с добавкойэтанола для дизеля типа Д-245.12С.

Расчеты проведены по экспериментальнымданным, представленным выше (см. Рис. 4.2 и 4.3). Результаты вычисленийчастных критериев оптимальности по выражениям (4.6) и обобщенногокритерия оптимальности (целевой функции) по формулам (4.5) и (4.7)приведены в Таблице 30.Таблица 30.Экологические качества нефтяного ДТ и его смесис абсолютным спиртом для дизеля Д-245.12С4,0001,0003,2710,818Jо1,0000,849JKx Мmax43,036,5KХ Мmax,%1,0000,750JKx Nmax16,012,0KХ Nmax,%1,0000,821Mmax700575СNOxMmax,PpmJNOx1,0000,851Jо605СNOxNmax,ppmJNOx NmaxПоказатели дизеля51596%ДТ+4%ЭСДТВидтопливаКак следует из данных Таблицы 30, исследованная смесь 96% нефтяногоДТ и 4% абсолютного этанола обладает заметно лучшими экологическимикачествами по сравнению с чистым нефтяным дизельным топливом.

Длядизеля типа Д-245.12С, работающего на нефтяном ДТ, обобщенный критерийоптимальности J о был равен единице, а при переводе дизеля на указаннуюсмесь он снизился до значения J о =0,818. Причем, при переводе дизеля насмесевое биотопливо все четыре частных критерия оптимальности (JNOxJNOx Mmax, JKx Nmax и JKx Мmax) уменьшились.Nmax,141Вцелом,подтвердилипроведенныеэффективностьрасчетно-экспериментальныеиспользованияисследованияпредложеннойметодикисравнительной оценки экологических качеств нефтяного ДТ и смесевогобиотоплива с добавкой этанола, ее информативность при оценке экологическихкачеств различных топлив и сравнительно небольшой объем расчетныхисследований.Взаключениенеобходимоотметитьнеобходимостьпроведениядальнейших исследований, направленных на определение оптимальногоколичества этанола, добавляемого в нефтяное дизельное топливо.

Переводдизеля на такое смесевое биотопливо оптимального состава обеспечитнаибольшуюэффективностьиспользованиясмесейнефтяногоДТиабсолютного этанола в отечественных дизелях.4.4 Основные результаты и выводы по четвертой главе1. Добавка биоэтанола в нефтяное дизельное топливо позволяет не толькообеспечитьчастичноезамещениенефтяныхмоторныхтопливальтернативными топливами, производимыми из возобновляемых сырьевыхресурсов, но и значительно улучшить показатели токсичности ОГ, в первуюочередь – снизить эмиссию оксидов азота и дымность ОГ.2.

Показано, что одной из основных проблем использования смесейнефтяного дизельного топлива и этанола является их плохая смешиваемость.Эта задача может быть решена путем смешивания нефтяного ДТ иабсолютного (безводного) этанола.3. Рассмотрена возможность использования в дизеле Д-245.12С смеси96% ДТ и 4% абсолютного этанола в качестве дизельного моторного топлива.При смешении этих компонентов образуются стойкие однородные смеси,обладающие хорошими экологическими качествами из-за наличия в их составезначительного количества кислорода. Смесь 96 % ДТ и 4 % этанола содержит1,8% кислорода (по массе), а нефтяное ДТ – только 0,4%.1424.

Проведены экспериментальные исследования дизеля Д-245.12С нанефтяном дизельном топливе и на смесевом биотопливе – на смеси 96% ДТ и4% абсолютного этанола на режимах внешней скоростной характеристики ирежимах 13-режимного цикла ЕСЕ R49.5. При переходе от нефтяного ДТ к смеси 96% ДТ и 4% абсолютногоэтанола интегральный на режимах 13-режимного цикла удельный массовыйвыброс оксидов азота снизился на 17,4%, выброс монооксида углерода возросна 9,0%, выброс несгоревших углеводородов eСНх увеличился на 8,6%. Новыбросы СО и СНх эффективно снижаются установкой в выпускной системедвигателя каталитических нейтрализаторов. При этом дымность ОГ нарежимах ВСХ снизилась на 15-25%.6. Разработана методика сравнительной оценки экологических качествнефтяного дизельного топлива и смесевого биотоплива с добавкой этанола,базирующаяся на использовании обобщенного критерия оптимальности в видесуммы относительных безразмерных критериев, характеризующих выбросыосновных токсичных компонентов ОГ дизелей – оксидов азота и сажи(дымность ОГ).

Указанные частные критерии оптимальности определены надвух основных режимах работы дизеля – на режимах максимальной мощностии максимального крутящего момента.7. Проведенные оптимизационные расчеты показали, что исследованнаясмесь 96% нефтяного ДТ и 4% абсолютного этанола обладает заметнолучшими экологическими качествами по сравнению с чистым нефтянымдизельным топливом. Для дизеля Д-245.12С, работающего на нефтяном ДТ,обобщенный критерий оптимальности J о был равен единице, а при переводедизеля на указанную смесь он снизился до значения J о =0,818. Причем, припереводе дизеля на смесевое биотопливо все четыре частных критерияоптимальности (JNOx Nmax, JNOx Mmax, JKx Nmax и JKx Мmax) уменьшились.8. Проведенные расчетно-экспериментальные исследования подтвердилиэффективность использования предложенной методики сравнительной оценки143экологических качеств нефтяного ДТ и смесевого биотоплива с добавкойэтанола, ее информативность при оценке экологических качеств различныхтоплив и сравнительно небольшой объем расчетных исследований.144ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕПроведенные расчетные и экспериментальные исследования показали,что путем использования этанола в качестве экологической добавки кдизельному топливу можно обеспечить значительное улучшение показателейтоксичности отработавших газов транспортного дизеля.