Диссертация (Методы повышения эффективности работы дизеля при использовании этанола в качестве экологической добавки к дизельному топливу), страница 5

Видимое дымление соответствуетсодержанию сажи в ОГ, большему 0,1 г/м3.Механизм образования сажи – это последовательность процессовтермического разложения топлива, образования активных углеводородныхчастиц в пламени, роста ядер сажи, агломерации частиц и окисления сажи.Поэтому содержание сажи в ОГ является результатом протекания двухопределяющих процессов – ее образования и окисления. Сажеобразование вдизелях зависит, в первую очередь, от коэффициента избытка воздуха, а такжеот особенностей смесеобразования, свойств топлива, температуры и временисгорания. Повышенное содержание сажи в ОГ дизеля имеет место напереходных режимах (что связано с недостатком воздуха, вызванным30инерционностью системы воздухоснабжения дизеля с турбонаддувом), а такжена режимах с пониженной частотой вращения и полной нагрузкой,характеризуемых низким давлением наддувочного воздуха и ухудшениемкачества распыливания топлива [69].Токсические свойства сажи обусловлены не углеродом, а присутствиемна ней канцерогенных полициклических ароматических углеводородов (ПАУ).В ОГ дизелей обнаружено более 20 различных ПАУ.

Их основой являетсяструктура, называемая бензольным ядром, содержащая шесть атомов углерода,соединенных в кольцо, с тремя одинарными и тремя двойными связями.Некоторые ПАУ, кроме бензольного ядра, имеют одну или несколько боковыхцепей. В ОГ дизелей содержатся, в основном, углеводороды, в молекулыкоторых входят две, три и четыре кольцевые структуры и 12-20 атомовуглерода [26, 77].

Наиболее опасен среди них бенз(а)пирен C20H12, являющийсяиндикатором присутствия в ОГ и других ПАУ. Эти углеводороды либонепосредственно переходят из топлива в ОГ, либо образуются в КС врезультате термического разложения (пиролиза) тяжелых фракций топлива взонах с недостатком кислорода.

В КС дизеля ПАУ адсорбируются на частицахсажи и удерживаются ими.Рассмотренные компонентыОГдизелей обладают выраженнымитоксикологическими свойствами, вызывают тяжелые заболевания человека,оказывают негативное влияние на сельскохозяйственные растения и животных.Поэтому вводятся ограничения на их выбросы с ОГ. Нормы на токсичность ОГ,принятые во многих странах, устанавливают максимально допустимыеудельные массовые выбросы токсичных веществ (NОx, CO, CHx, ТЧ). В Россиивведены общеевропейские нормы на токсичность ОГ транспортных дизелей.Эти нормы ограничивают эмиссии NOx, CO, CHx, ТЧ.

Введены ограничения ина дымность ОГ.Дизельныедвигателигрузовыхавтомобилейиспытываютнаустановившихся режимах, соответствующих режимам принятого в Европе31испытательного 13-режимного цикла ЕСЕ R 49 (Рис. 1.12, а). Этотиспытательный цикл включает 13 установившихся режимов: три режимахолостого хода с минимальной частотой вращения, пять нагрузочных режимов(10, 25, 50, 75, 100% нагрузки) при номинальной частоте вращения nном и пятьнагрузочных режимов (10, 25, 50, 75, 100% нагрузки) при частоте вращенияn=0,6nном, соответствующей максимальному крутящему моменту двигателя[69].

В конце каждого из режимов длительностью 10 минут определяютсясредние значения концентраций NОx, CO, CHx в ОГ и эффективная мощностьNe. Начиная с 2003 г., 13-режимный цикл ECE R 49 заменен на цикл ESC(European Steady State Cycle), в котором к 13-ти фиксированным режимам (Рис.1.12, б) добавлены еще три произвольных режима работы дизеля при егоисследованиях на беговых барабанах.абРис.

1.12.Испытательный 13-режимный цикл ЕСЕ R 49 (а) и 16-режимный цикл ESC (б)При оценке токсичности ОГ дизеля по 13-режимному испытательномуциклу для каждого режима рассчитываются часовые массовые выбросытоксичных компонентов ОГ (ENOx, ECO, ECHx). Полученные значения вредныхвыбросов суммируются за весь цикл по каждому компоненту (с учетом32коэффициентов Ki, отражающих долю времени каждого режима), и затемделением на условную среднюю мощность дизеля за испытательный циклопределяются удельные выбросы вредных веществ по формулам [30, 69]:1313i 1i 1eNOx   ( ENOx i  Ki ) /  ( Ne i  Ki ) ;1313i 1i 1eCO   ( ECOi  Ki ) /  ( Ne i  Ki ) ;1313i 1i 1(1.2)eCH x   ( ECH x i  Ki ) /  ( Ne i  Ki ) .Полученные значения удельных выбросов токсичных компонентов ОГ,отнесенные к единице вырабатываемой мощности, сравниваются с предельнодопустимыми нормами, установленными соответствующими нормативнымидокументами.ДымностьОГ(содержаниесаживОГ)транспортныхдизелейнормируется на режимах ВСХ (номинальный режим, режим максимальногокрутящего момента), а также на режимах свободного ускорения без нагрузки.

Вобщеевропейских стандартах EURO-1 … EURO-6 показатель «дымность ОГ»заменен показателем «выброс твердых частиц».Нормы на предельные выбросы вредных веществ с ОГ вводятся поклассам двигателей и транспортных средств. Динамика ввода ужесточающихсятребований к показателям токсичности ОГ для автомобилей с полной массойдо 3,5 тонн с дизелями показана на Рис. 1.13 и 1.14 [30].

При этом, какотмечено выше, основными токсичными компонентами ОГ дизелей являютсяоксиды азота NOх и сажа (углерод С или твердые частицы, содержащие нетолько углерод, но и ряд других составляющих – сульфаты, оксиды металлов идр.).33Рис. 1.13.Динамика ввода ужесточающихся требований к показателям токсичности ОГдизелей легковых автомобилей (с полной массой до 3,5 т)Рис. 1.14.Нормы вредных выбросов с ОГ дизелей легковых автомобилей в европейскомиспытательном цикле (РМ – твердые частицы, HC + NOx – суммарный выброслегких несгоревших углеводородов и оксидов азота)Приведенные данные, а также публикации [4, 42, 52, 56, 109],свидетельствуют о необходимости внедрения в двигателестроение средств иметодов снижения токсичности ОГ.

Разработка мероприятий по уменьшениютоксичности ОГ может проводиться по следующим основным направлениям[12, 23, 27, 61, 69]: совершенствование конструкции двигателя, учетэксплуатационных факторов, применение нетрадиционных (альтернативных)топлив. Последнее направление улучшения экологических показателей дизелейпривлекательно и тем, что оно позволяет не только уменьшить выбросы в34атмосферу токсичных компонентов ОГ, но и обеспечить частичное или полноезамещение нефтяных моторных топлив топливами, производимыми изальтернативных сырьевых ресурсов.Среди альтернативных моторных топлив наиболее привлекательнымипредставляются биотоплива, получаемые из возовновляемых сырьевыхресурсов. Применительно к дизелям наиболее перспективными считаютсябиоэтанол и топлива, производимые из растительных масел. Эти биотопливаотличаются сравнительно невысокой стоимостью и хорошими экологическимикачествами.

Однако широкое применение таких биотоплив сдерживаетсяотличиями их физико-химических свойств от аналогичных свойств нефтяныхмоторных топлив. Достижение требуемых свойств биотоплив обеспечиваетсяпри использовании смесевых и эмульгированных топлив, в которых подборкомпонентов таких смесей и оптимизация их состава позволяют получитьтоплива с заданными свойствами.1.4. Цель работы и задачи исследованияПроведенный анализ результатов опубликованных работ, проведенныхотечественными и зарубежными исследованиями, еще раз подтвердилперспективность использования смесевых и эмульгированных топлив сдобавками этанола при улучшении показатели токсичности ОГ и топливнойэкономичности дизелей. Проблемам использования в дизелях смесевых иэмульгированных биотоплив посвящены работы отечественных ученых – Л.В.Грехова [30, 31], С.В.

Гусакова [35], С.Н. Девянина [70, 73, 78], В.И. Ерохова[41], Н.А. Иващенко [30], Р.З. Кавтарадзе [51], А.С. Кулешова [31, 159], А.Р.Кульчицкого [7, 56], В.А. Лиханова [59, 61], В.И. Мальчука [68, 73], В.А.Маркова [13, 47, 69, 76], Н.Н. Патрахальцева [27, 76, 90, 91], Г.С. Савельева[104], А.М. Сайкина [4, 61], А.С. Хачияна [63, 93], М.Г. Шатрова [110]. По этойтематике защищены диссертационные работы [8, 43, 58, 118, 132].

Проблемаморганизации работы дизелей на смесевых и эмульгированных топливах35посвящено ряд расчетых и экспериментальных исследований, проведенных вМГТУ им. Н.Э. Баумана [6, 13, 30, 47, 69, 73], МГАУ им. В.П. Горячкина [70,73, 78], Российском университете дружбы народов (РУДН) [27, 35, 76, 90, 91],ГТУ «МАДИ» [63, 68, 73, 93, 110], ФГУП «НАМИ» [4, 61, 52], Владимирскомгосударственном университете [7, 56], Вятской ГСХА [59, 61].

Известны иработы зарубежных исследователей по этой тематике – C.E. Goering [151, 176],W. Heinrich [152], G. Knothe [156, 178], J. Krahl [158], T. Murayama [166, 183], T.Myo [167], A.R. Schroeder [179], S.C. Sorenson [176], M. Tsukahara [182, 183], Y.Yoshimoto [182, 183, 187].Вместе с тем, недостаточно изученными являются вопросы определенияфизико-химических свойств смесевых и эмульгированных топлив с добавкамиэтанола, оценки параметром потока этих топлив в распылителях дизельныхфорсунок, определения показателей топливной экономичности и токсичностиОГ дизелей, работающих на таких топлива, оптимизации состава указанныхсмесевых биотоплив и сравнительной оценки экологических качеств нефтяногодизельного топлива и смесевого биотоплива с добавкой этанола.Целью настоящей работы является разработка методов повышенияэффективности работы дизеля при использовании этанола в качествеэкологической добавки к дизельному топливу.

При этом в работе решаютсяследующие научные и практические задачи:1. Оценка эффективности различных направлений использования этанолав качестве 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 эмульгированного36биотоплива с добавкой этанола в проточной части распылителей дизельныхфорсунок.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.