Диссертация (1025379), страница 2
Текст из файла (страница 2)
При анализе проблем использования этанола в качествекислородсодержащей присадки необходимо проведение комплекса расчетноэкспериментальных исследований, направленных на исследование названныхэффектов и на исследование параметров дизеля, работающих на смесевых иэмульгированных топливах с добавкой этанола. Результаты этих исследованийбудут способствовать достижению требуемых показателей токсичностиотработавших газов современных транспортных дизелей.Цель работы: разработка методов повышения эффективности работыдизеля при использовании этанола в качестве экологической добавки кдизельному топливу.Методы исследований.
Поставленная в работе цель достигаетсясочетанием теоретических и экспериментальных методов. С помощьютеоретических методов проведены расчетные исследования вязкости смесевыхбиотоплив и параметров потока различных топлив в проточной частираспылителей форсунок, а также оценка экологических показателей смесинефтяного дизельного топлива и этанола.
Экспериментальная часть работызаключалась в определении показателей дизеля, работающего на смесевыхбиотопливах с добавкой этанола.Научная новизна работы заключается в следующем:- разработана методика расчета вязкости биотоплив на основерастительных масел и эмульгированного биотоплива;- разработана методика расчета показателей потока эмульгированногобиотоплива в проточной части распылителей дизельных форсунок;- разработана методика сравнительной оценки экологических качествнефтяного дизельного топлива и смесевого биотоплива с добавкой этанола.9Достоверность и обоснованность научных положений определяются:- использованием современных методик расчета показателей потокатоплива в проточной части распылителей форсунок;-использованиемсовременныхметодиксравнительнойоценкиэкологических качеств различных топлив;-совпадениемрезультатоврасчетныхиэкспериментальныхисследований, полученных при испытаниях на развернутом двигателе.Практическая ценность состоит в том, что:- разработанная методика расчета вязкости эмульгированного биотопливаи проведенные по этой методике расчеты позволили оценить вязкостьэмульсии рапсового масла и этанола;- разработанная методика расчета показателей потока топлива впроточной части распылителей дизельных форсунок и проведенные расчетныеисследования позволили оценить влияние свойств эмульсии рапсового масла иэтанола на параметры процесса топливоподачи;- проведенные экспериментальные исследования дизеля, работающего наэмульсиях рапсового масла и этанола, подтвердили эффективность ихиспользования для улучшения показателей токсичности отработавших газовдизеля;- проведенные экспериментальные исследования дизеля, работающего насмеси нефтяного дизельного топлива с добавкой абсолютного этанола,подтвердили эффективность ее использования в отечественных дизелях;- разработанная методика сравнительной оценки экологических качествнефтяного дизельного топлива и смесевого биотоплива с добавкой этанола ипроведенные оптимизационные расчеты показали возможность использованияэтой методики при разработке практических рекомендаций по выборуоптимальной добавки этанола.Реализация результатов работы.
Работа проводилась в соответствии спланамигосбюджетныхихоздоговорныхработкафедр«Поршневые10двигатели» и «Теплофизика» МГТУ им. Н.Э. Баумана, а также лаборатории«Автоматика» НИИЭМ МГТУ им. Н.Э. Баумана. Результаты исследованийвнедрены в ООО «ППП «Дизельавтоматика», г. Саратов и в ЗАО «ФорантСервис» (г. Ногинск).Апробация работы:Основные положения и результаты диссертации обсуждались:- на заседании кафедры «Поршневые двигатели» МГТУ им. Н.Э. Баумана(Москва, 2017 г.);- на международной научно-технической конференции «6-е Луканинскиечтения.Решениеэнергоэкологическихпроблемвавтотранспортномкомплексе» в ГТУ «МАДИ» (Москва, 2013 г.);- на международной научно-технической конференции «Двигатель2017», посвященной 110-летию кафедры «Поршневые двигатели» МГТУ им.Н.Э.
Баумана (Москва, 2017 г.);- на заседаниях Всероссийской научно-технической конференции(ВНТК) им. проф. В.И. Крутова по автоматическому управлению ирегулированию теплоэнергетических установок при кафедре «Теплофизика»(Э-6) МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2014-2017 г.г.).Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, все – посписку ВАК [21, 70, 71, 72, 75, 82, 117, 163] и 6 материалов конференций [15,48, 49, 50, 85, 112].Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырехглав, основных выводов и заключения, списка использованной литературы иприложений.
Общий объем работы 171 страница, включая 146 страницосновного текста, содержащего 62 рисунка и 30 таблиц. Список литературысодержит 187 наименований на 20 страницах. Приложение на 8 страницахвключает листинг программы аппроксимации экспериментальных данных повязкости эмульсионной смеси и документы о внедрении результатов работы.11ГЛАВА 1.
ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯБИОТОПЛИВ В ТРАНСПОРТНЫХ ДИЗЕЛЯХ1.1. Тенденции развития мирового топливно-энергетического комплексаи типы биотоплив, используемых в транспортных дизеляхСовременный этап развития энергетики характеризуется неизбежнымистощением мировых запасов полезных ископаемых при одновременномувеличенииэнергопотребления.Попрогнозамк2020 г.потреблениеэнергоресурсов составит 18 … 20 млрд. тонн в год в нефтяном эквиваленте[6, 94, 126]. Ожидается, что к середине нынешнего столетия рост потребленияпервичных ресурсов по сравнению с 2010 г. удвоится и составит около 28млрд. тонн в нефтяном эквиваленте. При этом возрастет роль возобновляемыхэнергетических ресурсов.
Планируется, что через ближайшие 10 лет долявозобновляемых источников энергии в энергобалансе ведущих промышленныхстран составит от 10 до 30 % [6, 94]. Так, в соответствии с данными работы [45]к 2019 г. объем рынка «чистых» технологий составит 325,9 млрд долл. США(Рис. 1.1).Рис. 1.1.Прогноз развития мирового рынка «чистых» технологий до 2019 г.:1 – 2009 г.; 2 – 2019 г.12При этом рынок биотоплив оценивается в 112,5 млрд долл. (около 30 %всех возобновляемых источников энергии).В связи с указанной тенденцией в сравнительно недалекой перспективесырьеваябазадляпроизводстваэнергоносителейдлятранспортныхэнергетических установок существенно расширится. Их будут производить нетолько из полезных ископаемых, но и из возобновляемых источников энергии(биомасса, растительные масла, спирты и др.) [1, 16, 35, 51, 90, 129].Пристальное внимание к альтернативным топливам обусловлено быстрымростоммировогообеспеченияавтопаркамоторнымиинеобходимостьютопливами[5,9].егоЛидеромбесперебойногопоразвитиюальтернативной энергетике являются США, которые существенно опережаютдругие страны по использованию альтернативных моторных топлив.
При этомнеобходимо отметить, что в США потребление спиртовых топлив значительноопережает потребление других альтернативных топлив – пропан-бутановыхсмесей (сжиженного углеводородного газа – СУГ), компримированногоприродного газа (КПГ) и сжиженного природного газа (СПГ), см. Рис. 1.2 [86].Рис. 1.2.Динамика роста транспортных средств, работающих на альтернативныхтопливах: 1 – СУГ; 2 – КПГ; 3 – Е85 (смесь 85% этанола и 15% бензина);4 – СПГ13Планируется, что через 10 лет доля возобновляемых источников энергии(ВИЭ) в энергобалансе ведущих промышленных стран составит от 10 до 30%[6, 126].
При этом значительная доля ВИЭ приходится на биотоплива,производимые из растительного сырья [13, 14, 36, 172, 174]. Наибольшеепотребление этих ресурсов предполагается в странах Европейского союза.Среди альтернативных топлив, производимых из растительного сырья, впервую очередь, необходимо выделить биоэтанол, получение котороговозможно из различного растительного сырья – сахарной свеклы, сахарноготростника, кукурузы, пшеницы, картофеля, сладкого сорго, топинамбура идругих сельскохозяйственных культур [63, 137, 140]. Это наиболее широкоприменяемыйнатранспортепроизводствоэтанолавидсоставляетбиотоплив.около100Современноемлрд.мировоелитроввгод(приблизительно 80 млн. т/год) [94, 126]. Большая его часть приходится натопливный этанол.В странах Европейского союза кроме этанола широкое применение нашлитоплива, получаемые из растительных масел [47, 63, 80].
При этомрассматривается целый ряд растительных масел: рапсовое, подсолнечное,хлопковое, соевое, льняное, пальмовое, арахисовое и некоторые другие.Перспективными биотопливами являются сами растительные масла, их смеси снефтяными и альтернативными топливами, сложные эфиры (метиловые,этиловые, бутиловые) растительных масел, называемые биодизельнымитопливами. Схожие с нефтяными моторными топливами энергетическиехарактеристикирастительныхмаселиихпроизводныхпозволяютиспользовать эти топлива в качестве альтернативных моторных топлив.Необходимо отметить, что в 2013 году на долю биодизельного топлива,производимого из растительных масел, приходится около 70 % (по объему)всего объема биотоплив, производимых в странах Европейского Союза, а надолю биоэтанола – около 28 %.
В 2009-2012 г.г. биоэтанол импортировался как14топливо Е90 (смесь 90% бензина и 10% этанола). Динамика производства ипотребления биотоплива в странах ЕС представлена на Рис. 1.3 [70].Рис. 1.3.Динамика производства и потребления биотоплива в странах ЕС:1 – потребление биодизельного топлива; 2 – его производство; 3 – его импорт;4 – потребление биоэтанола; 5 – его производство; 6 – его импортТаким образом, среди альтернативных энергоносителей, используемых натранспорте, одними из наиболее перспективных являются спирты и топлива,производимые на их основе. Как отмечено выше, спиртовые топлива можнополучитьизлюбогоуглеводородногосырья–какорганического(сельскохозяйственные культуры, растительные отходы, водоросли и др.), так иминерального (природный газ, уголь, горючие сланцы).
Среди преимуществспиртовых топлив можно отметить наличие в их молекулах атомов кислорода,способствующих снижению вредных выбросов с отработавшими газамидвигателей внутреннего сгорания [61, 69].1.2. Спиртовые топлива и направления их использованияв двигателях внутреннего сгоранияСпирты относятся к кислородсодержащим топливам (оксигенатам), чтопозволяетзаметноулучшитьпоказателитоксичностиОГдвигателей15внутреннего сгорания либо путем их конвертирования на работу на спиртовыхтопливах, либо путем добавления спиртов в нефтяные и альтернативныетоплива [6, 53, 91, 110, 137, 139].Спиртыявляютсясоединениямиорганическогопроисхожденияихарактеризуются присутствием в их молекуле одной или несколькихгидроксильных групп ОН (Рис.
1.4) [13, 63, 76]. В зависимости от числа этихгрупп спирты подразделяют на одноатомные, двухатомные и многоатомные. Вгруппе одноатомных спиртов выделяют нормальные спирты, в которыхсоединенные между собой атомы углерода образуют неразветвленную цепочкууглеводородных групп СН3 и СН2, а гидроксильная группа ОН соединена споследней группой СН2 в этой цепи (нормальный пропанол, нормальныйбутанол и др. на Рис. 1.4), и изомеры этих спиртов. Среди одноатомныхспиртов в зависимости от положения гидроксильной группы различаютпервичные RСН2ОН (например, нормальный бутанол), вторичные RСНОН(втор-бутанол) и третичные спирты RСОН (трет-бутанол, R – радикал).Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
