Улучшение эксплуатационных показателей транспортного дизеля путем использования биотоплив на основе рапсового масла, страница 2

Но при этом целесообразно оценивать не толькопоказатели токсичности ОГ дизеля, работающего на смесевых биотопливах,но и экологические качества самих топлив. Поэтому была разработана методику сравнительной оценки различных альтернативных топлив и определе-ния оптимального состава смесевого биотоплива, имеющеего наилучшиеэкологические показатели в полном жизненном цикле.Рис.

2. Зависимость удельных массовых выбросов оксидов азота еNOxдизеля Д-245.12С, монооксида углерода еCO и углеводородов еCHx отсодержания рапсового масла Срм всмесевом биотопливе на режимах13-ступенчатого испытательногоцикла.Предлагаемая методика решения многокритериальной задачи построена на составлении обобщенного критерия оптимальности в видеJo=aηе · Jηе + aNOx · JNOx + aCO · JCO + aCHx · JCHx ,(1)где Jηе, JNOx, JCO, JCHx – частные критерии оптимальности соответственнопо топливной экономичности (эффективному КПД ηе), выбросам NOx, CO,CHx; aηе, aNOx, aCO, aCHx – весовые коэффициенты частных критериев оптимальности.

Частные критерии оптимальности, входящие в выражение (1),предлагается определять на каждом i-том режиме из соотношенийJηе = ηе дт / ηе i ;JNOx = eNOx i / eNOx дт ;(2)JCO = eCOi / eCOi дт;JCHx = eCHxi / eCHx дт ,где ηе i, eNOxi, eCOi, eCHxi – параметры дизеля на данном топливе; ηе дт, eNOx дт, eCOдт, eCHx дт – параметры дизеля, работающего на дизельном топливе. Значимость частных критериев, характеризующих токсичность, определялась посоответствию исследуемого дизеля действующим нормам на токсичность ОГ.Весовой коэффициент aηе принят равным единице, а весовые коэффициентыaNOx, aCO, aCHx определялись в виде отношений действительной эмиссии токсичных компонентов ОГ дизеля, работающего на дизельном топливе (eNOx ,eCO , eCHx), к предельным величинам эмиссии, определяемым нормами на токсичность ОГ (eNOx пр , eCO пр , eCHx пр), т.е.aNOx=eNOx / eNOx пр;aCO=eCO /eCO пр;(3)aCHx=eCHx /eCHx пр.Сравнение токсичности ОГ и топливной экономичности дизеля, работающего на исследуемых топливах, проведено с использованием относительного обобщенного критерия оптимальности Jo , представляющий собой отношение критерия Jо, полученного для данного смесевого топлива, к значению этого критерия Jо д, соответствующему работе на дизельном топливе, т.е.Jo = Jо / Jо д .(4)Результаты расчета критерия Jo с использованием выражения (4) приведены на рис.

3,а. Минимум этого критерия Jо=0,889 достигается при работедизеля Д-245.12С на смеси, содержащей 60 % ДТ и 40 % РМ. При таком составе топлива достигается наибольший условный средний эффективный КПДдвигателя ηе ср=0,3438 и наименьший выброс углеводородов eCHx=0,949г/(кВт·ч). Выброс оксидов азота составил eNOx пр=7,031 г/(кВт·ч). Близкие показатели обеспечивают смесевые биотоплива, содержащие 20 и 60 % РМ.Рис.

3. Значения относительного обобщенного критерияоптимальности Jo (а) и относительногообобщенногоприведенного критерия оптимальности Joп (б) дизеляД-245, работающего на различных топливах: 1 - ДТ; 2 80 % ДТ + 20 % РМ; 3 - 60 %ДТ + 40 % РМ; 4 - 40 % ДТ +60 % РМ.Следует отметить, что при сравнении различных альтернативных топлив необходимо учитывать экологический ущерб от применения в дизеледанного топлива в так называемом «полном жизненном цикле». При разработке методики сравнительной оценки различных топлив учитывалось, чторапсовое масло является экологически безопасным.

Процесс получения этогомасла при его холодном отжиме весьма экологичен, а само масло абсолютнобезвредно при его использовании в качестве топлива. Поэтому при прочихравных условиях предпочтение следует отдавать смесевым топливам, содержащим наибольшее количество РМ. Для оценки экологических показателейтоплив использованы значения их условной агрессивности Ат, которая дизельного топлива равна Ат=2,1, а для рапсового масла принята равной Ат=0.При определении значений Ат для смесей ДТ и РМ использована линейнаяинтерполяция значений Ат для ДТ и РМ.

Для оценки токсикологическойопасности топлива в полном жизненном цикле предлагается значение обобщенного критерия оптимальности Jo, определенного в соответствии с выражением (1), умножать на выражение[1+ (Aт / АNOx)].(5)Оно включает отношение условной агрессивности Ат рассматриваемоготоплива (для дизельного топлива Ат=2,1) к условной агрессивности оксидовазота (АNOx=41,1), являющихся основным токсичным компонентом ОГ дизелей. Таким образом, для оценки экологических и топливно-экономическихпоказателей дизеля, работающего на нетрадиционном топливе, в полномжизненном цикле предлагается использовать относительный обобщенныйприведенный критерий оптимальности в видеJo пр=Jo· [1+ (Aт / АNOx)].(6)Сравнение различных нетрадиционных топлив в полном жизненномцикле проведено с использованием относительного обобщенного приведенного критерия оптимальности Joп , являющегося отношением критерия Jопдля данного смесевого топлива к значению этого критерия Jоп д, соответствующему работе на дизельном топливе, т.е.Joп = Jоп / Jоп д .(7)Рассчитанные по выражению (7) значения критерия Joп показаны нарис.

3,б. Для смесей ДТ и РМ в пропорциях 60%:40 % и 40 %:60 % критерийJoп оказался равным соответственно 0,872 и 0,874. Практически такое жезначение имеет критерий Joп и для Joп смеси ДТ и РМ в пропорциях80%:20% ( Joп =0,886).Небольшая разница относительного обобщенного критерия оптимальности Jo (рис. 3,а) и относительного обобщенного приведенного критерияоптимальности Joп (рис. 3,б) для рассматриваемых смесевых топлив обусловлена невысокими значениями коэффициентов их условной агрессивности Ат.

Предлагаемая методика позволяет интегрально оценить экологические и топливно-экономические показатели дизеля, работающего на альтернативных топливах, не только в процессе их сжигания в КС двигателя, но и вполном жизненном цикле.Третья глава посвящена совершенствованию процессов распыливаниятоплива и смесеобразования в дизелях, работающих на смесевых биотопливах. Для оценки влияния свойств смесевого биотоплива на динамику развития струй распыливаемого топлива использована математическая модель,разработанная С.Н.

Девяниным. Эта модель развития струи, созданная на основе закона сохранения импульса, учитывает действительный закон подачитоплива и отражает влияние следующих основных факторов: времени процесса t, плотности воздуха ρв, диаметра распыливающего отверстия dр, давление впрыскивания pвпр.При проведении расчетов исследовалась динамика развития струй формируемых опытной системой топливоподачи транспортного дизеля.

Эта топливоподающая система имела форсунки с распылителями с двумя распыли-вающими отверстиями диаметром dр=0,38 мм и суммарной эффективнойплощадью распылителя в сборе μрfр=0,16 мм2. Форсунки были отрегулированы на давление начала впрыскивания рфо=20,0 МПа. Динамика развитияструй распыливаемого топлива исследовалась на режиме с частотой вращения кулачкового вала nтн=1400 мин-1 и цикловой подачей qц=60 мм3. Параметры воздушного заряда были приняты следующими: р=1,6 МПа, Т=293 К.Расчетные зависимости длины струи топлива L от времени t при впрыскивании топлив с различной плотностью ρ представлены на рис.

4. Приведенныеданные свидетельствуют о заметном влиянии плотности топлива на длинуструй топлива.Рис. 4. Динамика развития струй в зависимости от плотности топлив ρ[кг/м3]: 1 - 700; 2 - 750; 3 - 800; 4 - 850; 5 - 900; 6 - 950; 7 - 1000.Следует отметить, что увеличение длины струй L распыливаемых растительных масел и их эфиров может достигать 20-25 % по сравнению с работой на дизельном топливе.

С учетом различий плотности РМ и ДТ и периодазадержки их самовоспламенения разница в длине струй распыливаемых РМ иДТ составит 12,5 мм, т.е. около 17 %. Вследствие этого часть топлива можетпопадать на относительно холодные стенки КС, что снижает долю объемногосмесеобразования, приводит к неполному сгоранию топлива, неблагоприятносказывается на экономических и экологических показателях дизеля. Это необходимо учитывать при выборе формы камеры сгорания дизеля и согласовании направления и длины струй распыливаемого топлива с формой КС.Поэтому необходима реализация мероприятий, улучшающих качество процесса смесеобразования.Для улучшения качества процесса смесеобразования при работе набиотопливах предлагается использовать распылитель, схема которого представлена на рис.

5. В этом распылителе распыливающие отверстия выполнены попарно и расположены равномерно по поверхности носка распылителя.При этом оси распыливающих отверстий выполнены под углом ψ друг относительно друга. Этот угол выбран таким, чтобы струи, образуемые спаренными отверстиями, сталкивались друг с другом на расстоянии около 10 мм отповерхности носка распылителя. При этом струи дополнительно турбулизуются и образуется одна общая струя большего объема, распространяющаясяв объеме КС. Причем, длина этой струи несколько меньше струи топлива,формируемой одним распыливающим отверстием с эффективным проходным сечением, равное сумме эффективных проходных сечений спаренныхраспыливающих отверстий.Рис.

5. Конструктивная схема распылителя форсунки: 1- корпус; 2 - цилиндрическаяполость распылителя; 3 коническая поверхность; 4 носок распылителя; 5 - подыгольная полость; 6, 7 распыливающие отверстия;8, 9 - входные кромки распыливающих отверстий; 10 игла распылителя; 11 - коническая поверхность иглы;12 - коническая запорнаячасть иглы.В соответствии с разработанной схемой на Алтайском заводе прецизионных изделий (АЗПИ, г. Барнаул) были изготовлены опытные распылители.Для оценки экономических и экологических показателей дизеля, оснащенного опытными распылителями и работающего на биотопливе, проведены испытания дизеля Д-245.12С на моторном стенде АМО «ЗиЛ».