Снижение вредных выбросов тракторных дизелей путем применения присадок к топливу на основе редкоземельных элементов (на примере дизеля 4ч 11/12,5)
На правах рукописи
ЦЫПЦЫНА Анна Валерьевна
СНИЖЕНИЕ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ
ТРАКТОРНЫХ ДИЗЕЛЕЙ
ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ ПРИСАДОК К ТОПЛИВУ
НА ОСНОВЕ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
(НА ПРИМЕРЕ ДИЗЕЛЯ 4Ч 11/12,5)
Специальность 05.20.03 – Технологии и средства
технического обслуживания в сельском хозяйстве
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учной степени
кандидата технических наук
Саратов 2013 1
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образо вательном учреждении высшего профессионального образования «Сара товский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова».
Научный руководитель: Истомин Сергей Викторович, доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты: Стрельцов Владимир Васильевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский ГАУ им. В.П. Горячкина», профессор кафед ры «Материаловедение и технология машиностроения»
Абрамов Сергей Викторович, кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ», старший преподаватель кафедры «Технология машиностроения и конструкционных материалов»
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Саратовский государст венный технический университет им.
Гагарина Ю.А.»
Защита диссертации состоится 25 декабря 2013 г. в 10:00 часов на за седании диссертационного совета Д 220.061.03 на базе ФГБОУ ВПО «Са ратовский ГАУ» по адресу: 410056, г. Саратов, ул. Советская, 60, ауд. 325.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Сара товский ГАУ».
Автореферат диссертации разослан «21» ноября 2013 г.
Отзывы на автореферат направлять по адресу: 410012, г. Саратов, Театральная пл. 1., Саратовский ГАУ учному секретарю диссертаци онного совета, e-mail: [email protected].
Учный секретарь диссертационного совета Василий Васильевич Чекмарев
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. С каждым годом возрастает тех ногенное воздействие транспортных средств на окружающую среду.
Около 40 % токсичных веществ и сажи поступает в атмосферу с отрабо тавшими газами двигателей внутреннего сгорания. Ежегодный экологи ческий ущерб от работы транспортных средств в Российской Федерации составляет более 900 млрд руб., или около 1,5 % валового национального продукта России.
В сельском хозяйстве РФ широко применяются мобильные сельскохо зяйственные машины и тракторы (более 4 млн ед.), на которых в качест ве силовых агрегатов используются дизели. Один из основных токсич ных компонентов отработавших газов дизелей – сажа, содержащая кан церогенные вещества.
По сравнению с существующими методами снижения дымности ОГ ди зелей (применение сажевых фильтров, систем рециркуляции ОГ, альтерна тивных видов топлива и др.) эффективным и малозатратным способом является добавление в дизельное топливо антидымных присадок.
В связи с этим актуальность исследования заключается в разработке и внедрении антидымных присадок к топливу на основе редкоземельных элементов. Такие присадки позволяют снизить выбросы вредных ве ществ с отработавшими газами без изменения конструкции дизелей и их систем питания.
Актуальность работы также подтверждается тем, что она выполнялась по приоритетному направлению развития ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ имени Н.И. Вавилова» № 01201151795 от 09.02.2011 г. «Модерни зация инженерно-технического обеспечения АПК» по теме: «Проведение научных исследований по повышению надежности и эффективности использования мобильной техники в сельском хозяйстве».
Степень разработанности темы. В настоящее время существуют антидымные присадки к топливу, снижающие содержание сажи в ОГ дизелей, однако их органические компоненты при сгорании образуют вредные вещества. Поэтому необходима разработка эффективных и экологически безопасных присадок, в частности на основе редкозе мельных элементов.
Цель работы – улучшение экологических показателей тракторного дизеля 4Ч 11/12,5 применением антидымных присадок к топливу на основе редкоземельных элементов, обеспечивающих эффективное снижение вредных выбросов при его эксплуатации.
Объект исследования – рабочий процесс дизеля на топливе с анти дымными присадками: декааква-2-сульфобензоат эрбия и гидроксокарбо нат лантана.
Предмет исследования – экологические показатели и характеристики дизеля с антидымной присадкой к топливу работающего на различных скоростных и нагрузочных режимах.
Научную новизну работы представляют:
скорректированная методика теплового расчта рабочего цикла ди зеля, работающего на топливе с антидымными присадками на основе редкоземельных элементов;
математическая модель процесса тепловыделения при термическом разложении антидымной присадки;
математическая модель процесса образования сажи в цилиндре ди зеля, работающего на топливе с антидымной присадкой;
комплексная оценка эффективных и токсических характеристик ди зеля, работающего на топливе с антидымными присадками на основе редкоземельных элементов.
Теоретическая и практическая значимость. Разработаны матема тические модели процессов тепловыделения и образования сажи в ци линдре дизеля, работающего на топливе с антидымными присадками на основе редкоземельных элементов. Синтезированы и исследованы ан тидымные присадки декааква-2-сульфобензоат эрбия и гидроксокарбо нат лантана, добавляемые в дизельное топливо и обеспечивающие эф фективное снижение продуктов неполного сгорания (CO, CH и сажи).
Новизна химических соединений антидымных присадок подтверждена двумя патентами РФ на изобретения.
Методология и методы исследований. Методологической основой для выполнения работы являлись современные методы теоретических и экспериментальных исследований антидымных присадок. Теоретиче ские исследования включали в себя типовые апробированные методи ки: тепловой расчт дизеля;
построение регрессионных зависимостей по данным эксперимента;
математическое моделирование процессов тепловыделения в цилиндре двигателя и образования сажи при сгора нии топлива;
идентификацию параметров математических моделей по данным экспериментов. Основу экспериментальных исследований со ставили лабораторные (химические), стендовые и эксплуатационные испытания.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Методика теплового расчта рабочего цикла дизеля, работающего на топливе с антидымными присадками на основе редкоземельных элементов.
2. Математические модели процессов тепловыделения и образования сажи в цилиндре дизеля, работающего на топливе с присадками дека аква-2-сульфобензоат эрбия и гидроксокарбонат лантана.
3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния антидымных присадок на основе редкоземельных элементов к дизельному топливу на процессы, протекающие в цилиндре дизеля.
4. Результаты экспериментальных исследований эффективных и ток сических характеристик дизеля, работающего на топливе с антидым ными присадками, технико-экономическая оценка их применения.
Степень достоверности и апробация работы. Степень достоверности подтверждена использованием современных методик исследования, при менением оборудования и высокоточной измерительной аппаратуры, ме тодами обработки экспериментальных данных с помощью методов мате матической статистики.
Основные положения и результаты работы доложены, обсуждены: на научных конференциях профессорско-преподавательского состава, науч ных работников и аспирантов ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ» (Сара тов, 2010–2012 гг.);
Международной научно-технической конференции «Обеспечение и контроль промышленной чистоты» (Саратов, 2010 г.);
научно-практической конференции ПГСХА (Пенза, 2010 г.);
научно практической конференции «Интеграция науки, образования и произ водства в области агроинженерии» (Москва, 2010 г.);
Международной научно-практической конференции «Вавиловские чтения» (Саратов, 2009–2011 гг.);
учных советах Поволжского межрегионального фи лиала ФГБУ «ВНИИ охраны и экономики труда» Минтруда России (Саратов, 2010–2012 гг.);
на Международной научно-практической конференции «Михайловские чтения» (Саратов, 2011–2012 гг.);
расши ренном заседании кафедры «Отечественная и зарубежная мобильная энерготехника в АПК» (Саратов, 2010 г.);
Всероссийской научно практической конференции «2011 год – Международный год химии»
(Саратов, 2012 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК. Общий объм публи каций – 4,94 печ. л., из которых 3,0 печ. л. принадлежит лично соиска телю. Получено два патента РФ на изобретение.
Структура и объм диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Содер жит 205 страниц печатного текста,14 таблиц, 95 рисунков и 7 приложе ний. Список литературы включает в себя 126 наименований, из них 12 – на иностранном языке.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, дана общая характери стика работы, изложены основные научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту.
В первом разделе «Состояние вопроса. Цель и задачи исследова ния» приведен анализ данных о содержании в отработавших газах ди зелей токсичных веществ, их нормировании, методах и средствах очи стки ОГ, их эффективности.
Вопросам снижения токсичности и дымности отработавших газов дизе лей посвящено множество отечественных и зарубежных научных работ.
Большой вклад в изучение вопросов, связанных с повышением экологиче ской безопасности дизелей, внесли ученые: В.Л. Аксенов, И.С. Брехов ских, В.В. Горбунов, В.Д. Дудышев, Р.И. Жегалин, В.А. Звонов, В.Ф. Кай зер, М.Г. Ладыгичев, В.А. Лиханов, В.Н. Ложкин, П.Д. Лупачв, Р.В. Ма лов, М. Муссави, А.В. Николаенко, А.Л. Новоселов, В.И. Панчишный, Н.Н. Патрахальцев, С. Пишингер, А.М. Сайкин, Т.Ю. Салова, В.И. Смай лис, В.А. Стрельников, В.И. Цыпцын, В.С. Швыдский, Г.Е. Эндрюс и др.
В целом анализ научных публикаций по рассматриваемой теме пока зал, что в настоящее время существует множество средств снижения токсичных веществ в ОГ дизелей автотракторной техники, которые дают различные качественные и количественные результаты. Наиболее эффективным и экономически целесообразным методом снижения ток сичных веществ в ОГ дизелей является применение антидымных при садок к топливу. Данный способ имеет ряд преимуществ: не требует изменения конструкции двигателя, не снижает его мощностных по казателей и практически не сказывается на топливной экономично сти (в некоторых случаях улучшает ее). Кроме своего основного на значения, антидымные присадки могут служить для регенерации (очистки) сажевых фильтров, обеспечивая выгорание сажевых час тиц даже при температурах ОГ, соответствующих малым нагрузкам дизеля. Поэтому большой интерес вызывают антидымные присадки на основе координационных соединений редкоземельных элементов – эрбия и лантана, которые являются более экологически безопасными по сравне нию с присадками органического происхождения.
В соответствии с проведенным анализом и поставленной целью бы ли определены следующие задачи исследования:
1. Провести анализ существующих присадок к топливу для сниже ния вредных веществ, содержащихся в отработавших газах дизелей.
2. Разработать антидымные присадки к дизельному топливу на основе редкоземельных элементов.
3. Разработать математические модели тепловыделения и образования сажи в цилиндре дизеля, работающего на топливе с присадками, отра жающие его работу на различных скоростных и нагрузочных режимах.
4. Теоретически и экспериментально установить основные законо мерности изменения эффективных и токсических характеристик дизе ля, работающего на топливе с присадками, от режимов его работы.
5. Оценить экономическую эффективность применения разработан ных антидымных присадок к дизельному топливу на основе редкозе мельных элементов.
Во втором разделе «Общая методика исследований» изложена программа и методика проведения теоретических и экспериментальных исследований, рассмотрены применяемые измерительные приборы и оборудование.
Тепловой расчт рабочего процесса дизеля выполняли с использованием известной методики Гриневецкого – Колчина посредством е коррекции – введения дополнительных регрессионных зависимостей, необходимых для вычисления нагрузочных характеристик дизеля.
Математические модели образования сажи при сгорании топлива в цилиндре дизеля разрабатывали на основе дифференциальных уравнений диффузии и химической кинетики процесса горения капли углеводо родного дизельного топлива, образования и выгорания сажи. Влияние разработанной присадки декааква-2-сульфобензоат эрбия к дизельному топливу на процесс тепловыделения учитывали дополнительно разра ботанными математическими зависимостями изменения скорости хими ческих реакций и коэффициента использования тепла при наличии ката литического эффекта от влияния редкоземельных металлов в веществе присадки как катализаторов.
Идентификацию параметров математических моделей тепловыде ления и образования сажи в цилиндре дизеля по данным эксперимен тов производили с использованием авторегрессионных математиче ских методов, а идентификационные математические модели пред ставляли в форме системы линейных дифференциальных уравнений с обыкновенными производными.
Точность сформированных математических моделей подтверждалась сравнением результатов математического моделирования с данными эксперимента по показателям в виде статистических оценок и матема тических норм.
Основу экспериментальных исследований составили: рентгеногра фический анализ и термогравиметрический анализ веществ присадок, исследование поверхностного натяжения чистого топлива и топлива с присадкой, исследование показателей токсичности, эффективности и экономичности полноразмерного дизеля, работающего на различных нагрузочных и скоростных режимах на чистом топливе и топливе с присадкой.
С целью изучения особенностей протекания экзотермических реак ций при термическом разложении разработанных присадок к топливу были проведены их лабораторно-химические исследования.
Элементный анализ химических соединений полученных присадок был выполнен рентгенографическим методом. Рентгенограмму получа ли с помощью дифрактометра ДРОН-3.
Для исследования фазовых превращений и химических реакций, со провождающихся тепловыми эффектами, был проведен термограви метрический анализ полученных соединений на дериватографе ОД-112.
Стендовые испытания дизеля 4Ч 11/12,5 на стандартном топливе и топливе с антидымными присадками осуществляли в лаборатории испытаний двигателей ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ имени Н.И. Вавилова» в соответствии с ГОСТ 18509–88 на обкаточно тормозном стенде КИ-5543 ГОСНИТИ.
Для измерения концентрации основных токсичных компонентов (СО, СН, NOх) и дымности ОГ дизеля, работающего на топливе с различными антидымными присадками, применяли газоанализатор «МЕТА АВТО ТЕСТ».
В третьем разделе «Теоретические предпосылки снижения ток сичности и дымности отработавших газов дизелей применением присадок к топливу» представлены исследования двух антидымных при садок на основе редкоземельных элементов: декааква-2-сульфобензоат эрбия и гидроксокарбонат лантана.
Синтез декааква-2-сульфобензоат эрбия осуществлялся посредством растворения сухого ацетата эрбия Er(CH3COO)3·4H2O марки «х.ч.» в о сульфобензойной кислоте:
2Er(CH3COO)3·4H2О + 3Н2С7Н4О5S + + 2Н2О Er2(С7Н4О5S)3·10H2O + 6СН3СООН. (1) Вторая комбинированная антидымная присадка представляет собой соединение карбоната лантана La2CO3 и гидроксокарбоната лантана La(OH)CO3 в мольном соотношении 1:2:
2LaCl3 + 3(NH4)2CO3 = La2(CO3)3 + 6NH4Cl;
(2) 8090 С La2(CO3)3 + 4OH– La(OH)(CO3) + 2CO2 + La(OH)3;
(3) 2La(OH)(CO3) + La2(CO3)3 = La2CO3 · 2La(OH)CO3. (4) При термическом разложении в цилиндре дизеля каждой из приса док декааква-2-сульфобензоат эрбия Er2(С7Н4О5S)3·10H2O и гидроксо карбонат лантана La2CO3·2La(OH)CO3 наблюдаются два положитель ных эффекта от их действия на процессы испарения и сгорания капель дизельного топлива в цилиндре, существенно изменяющих эффектив ные и токсические показатели дизеля. Первый эффект состоит в выде лении дополнительной порции тепловой энергии от экзотермической реакции при термическом разложении присадок в цилиндре дизеля, которая ускоряет процесс испаряемости капель топлива и способствует улучшению процесса смесеобразования и воспламенения. Второй эф фект заключается в каталитическом действии на процесс сгорания ди зельного топлива в цилиндре, обусловленном наличием редкоземель ного металла в веществах присадок.
Для аналитического описания эффектов действия разработанных присадок на процесс сгорания дизельного топлива в первом приближе нии можно использовать следующее выражение:
(mp/gc)2 + 1/НuЕ(mp, T(t))]dt, = o[1 + kp kp mp/gc + (5) 1 где o – коэффициент использования тепла от сгорания топлива без присадки в цилиндре дизеля;
k p, k p – регрессионные коэффициенты;
1 mp/gc – относительная доля массы mp, г, исследуемой присадки в цикловой подаче gc одного цилиндра дизеля;
Hu – низшая теплота сгорания топлива, Дж;
Е – энергия активации экзотермических химических реакций при термическом разложении исследуемой присадки, Дж;
Т – температура в цилиндре дизеля, К;
t – время, с.
В зависимости (5) первая часть выражения описывает эффект ката литического действия присадок, а вторая – относительное значение выделившейся энергии экзотермической реакции при термическом раз ложении присадок.
Учитывая результаты исследования механизма действия антидымных присадок, константы скоростей каждой i-й химической реакции при сгора нии топлива с разработанной присадкой декааква-2-сульфобензоат эрбия вычисляли по выражению Кi = Аi·10mе[–E–E( m р,T(t))]/RT(t), (6) где Аi – регрессионный коэффициент;
m – константа, зависящая от вида топлива;
E – энергия активации экзотермических химических реакций при сгорании топлива без присадки, Дж;
R – газовая постоянная.
Тепловой расчт рабочего процесса дизеля на топливе с присадкой де кааква-2-сульфобензоат эрбия необходим для оценки числовых значений начальных условий системы нелинейных дифференциальных уравнений в математической модели индикаторного процесса в цилиндре дизеля 4Ч 11/12,5 для сравнения основных показателей цикла, полученных модели рованием, и для расчта скоростных и нагрузочных характеристик дизеля.
В известную методику теплового расчта Гриневецкого – Колчина вве дн ряд новых регрессионных зависимостей: молекулярных тепломко стей (mcp, кДж/(кмоль°С)) компонентов рабочего тела в цилиндре дизеля от температуры газов (Тг, °С);
эффективной мощности (Ne, кВт), часового расхода топлива (Gт, кг/ч), температуры отработавших газов, коэффициента использования тепла от частоты вращения (n, мин–1);
коэффициента избытка воздуха и степени повышения давления от среднего эффективного давления (pe, МПа).
Уравнения регрессионных зависимостей молекулярных теплоемкостей компонентов рабочего тела в цилиндре дизеля от температуры и соответ ствующие им значения ошибок аппроксимации О1 = max(mcp – mср ), по r лученные при сравнении значений экспериментальных (mcp) и расчетных ( mср ) теплоемкостей, следующие:
r для диоксида углерода mcpCO2 = 5,0825 + 0,015923Tг – 1,109210–5Tг2 + + 3,623110–9Tг3 – 4,433110–13Tг, O1 = 0,27248;
(7) для азота mcpN2 = 6,7204 + 0,0002387Tг + 1,485310–6Tг2 – – 8,027610–10Tг3 + 1,190810–13Tг4, O1 = 0,10802;
(8) для оксида углерода mcpCO = 6,7462 + 0,00039518Tг + 1,359510–6Tг2 – – 7,566310–10Tг3 + 1,127910–13Tг4, O1 = 0,0921;
(9) для водорода mcpH2 = 6,7616 + 0,00012348Tг + 4,920510–7Tг2 – – 8,338110–11Tг3 + 6,633210–15Tг4, O1 = 0,099825;
(10) для кислорода mcpO2 = 6,2638 + 0,0029725Tг – 1,131910–6Tг2 + + 1,913110–10Tг3 – 8,006910–15Tг4, O1 = 0,088766. (11) Скорость потерь тепловой энергии в процессе теплоотдачи от газов к стенкам цилиндра и камеры сгорания можно записать в виде выражения:
dQw/d = i(Tг – Tст)Fx()/(36006n), (12) где i – коэффициент теплообмена, Вт/(м ·К);
Tст – средняя температура стенки цилиндра со стороны рабочего тела, К;
Fx() – текущая по верхность теплообмена между рабочим телом и стенкой цилиндра, м2, Fx() = DSx()/( – 1) + (fk – fp)D2/4;
D – диаметр цилиндра, м;
Sx() – текущий ход поршня, м;
fk, fp – доли непосредственно охлаждаемых поверхностей крышки цилиндра и поршня.
Для одномерного температурного поля баланс тепла описывается диф ференциальным уравнением с частными производными следующего вида:
qx/x = cTг/t, (13) qx = –Tг/x – Treqx/t, (14) где с – удельная тепломкость, Дж/(кгК);
Тг – температура в локальной точке с координатой х, К;
t – время, с;
– коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К);
Tre – постоянная времени, с.
При постоянных значениях и Тre после объединения уравнений (13) и (14) получим:
Tre2Tг/t2 + Tг/t – a2Tг/x2 = 0, (15) где a – температуропроводность, м2/с.
Обобщенную физико-химическую модель процесса результирующего образования токсичных компонентов в цилиндре дизеля, работающего на топливе с антидымной присадкой декааква-2-сульфобензоат эрбия, можно сформировать на основе математических моделей химической кинетики и моделей изменения температуры в форме уравнения (15).
Эффективность использования присадок к топливу при работе дизе ля 4Ч 11/12,5 на скоростных и нагрузочных режимах определяли по показателям коэффициентов выхода.
Коэффициенты выхода j-го токсичного компонента с отработавшими газами дизеля, работающего на топливе без присадки и с i-й присадкой, рассчитывали по выражению:
Kij = (Cj – Сij)/Cj, (16) где Cj, Сij – соответственно концентрации j-го токсичного компонента в отработавших газах дизеля без присадки в дизельном топливе и с i-й присадкой, ppm.
Токсические характеристики дизеля представлены как зависимости значений коэффициента выхода j-го токсичного компонента с отрабо тавшими газами дизеля от показателей скоростного и нагрузочного режимов его работы Kij(n, pe) = (Cj(n, pe) – Сij(n, pe))/Cj(n, pe), (17) где Cj(n, pe), Сij(n, pe) – соответственно концентрации j-го токсичного ком понента в отработавших газах дизеля, работающего на топливе без при садки и с i-й присадкой, ppm;
n – частота вращения коленчатого вала дизе ля, мин–1;
pe – среднее эффективное давление в цилиндре дизеля, МПа.
В четвертом разделе «Результаты экспериментальных исследова ний» представлены результаты лабораторных и стендовых испытаний.
Полученные присадки растворяли в дизельном топливе в процентном со отношении 0,15 % по массе. Результаты экспериментального исследования дизеля 4Ч 11/12,5, работающего на топливе с присадкой декааква-2 сульфобензоат эрбия и без присадки по нагрузочной характеристике с час тотой вращения n = 1800 мин–1, представлены на рисунках 1 и 2.
Рисунок 1 – Зависимости изменения Рисунок 2 – Зависимости изменения удельного эффективного расхода ge, часового расхода топлива Gт, температуры отработавших газов Тог, коэффициента избытка воздуха перепада давления р от эффективной мощности Ne от эффективной мощности Ne дизеля 4Ч 11/12,5 при работе с частотой вращения n = 1800 мин–1:
дизеля 4Ч 11/12,5 при работе с частотой вращения n = 1800 мин–1:,,, – данные эксперимента;
,,, – данные эксперимента;
, ---- – данные теплового расчта, ---- – данные теплового расчта соответственно с присадкой и без присадки соответственно с присадкой и без присадки При мощности Ne = 34 кВт температура отработавших газов Тог воз растает при работе дизеля на топливе с присадкой декааква-2 сульфобензоат эрбия до 745 К, без присадки – до 727 К, коэффициент избытка воздуха – соответственно до 2,27 и 2,45. Исследования на данном режиме также показали, что часовой расход топлива Gт с при садкой декааква-2-сульфобензоат эрбия составил 6,57 кг/ч, без присад ки – 7,1 кг/ч;
минимальный удельный эффективный расход топлива ge – соответственно 238 и 258 г/(кВт·ч). Таким образом, топливная эконо мичность дизеля, работающего на топливе с присадкой декааква-2 сульфобензоат эрбия, улучшилась на 8 %.
Токсические характеристики дизеля 4Ч 11/12,5 исследовали при его ра боте с частотой вращения коленчатого вала n = 1000…2200 мин–1 и эффек тивным давлением pe = 0…0,63 МПа.
Экспериментальные зависимости концентрации токсичных компо нентов: оксида углерода CCO;
сажи Сс;
углеводородов CCH;
оксидов азота CNOх от среднего эффективного давления представлены на рисунке 3.
а б в г Рисунок 3 – Экспериментальные зависимости изменения концентраций:
а – оксида углерода C CO;
б – сажи С с;
в – углеводородов CCH;
г – оксидов азота CNOх в отработавших газах дизеля 4Ч 11/12,5, работающего на топливе с присадкой декааква-2-сульфобензоат эрбия, от изменения среднего эффективного давления pе дизеля при заданных значениях частоты вращения: 1 – n = 1000 мин–1;
2 – n = 1400 мин–1;
3 – n = 1600 мин–1;
4 – n = 1800 мин–1;
5 – n = 2000 мин–1;
6 – n = 2200 мин– Из рисунка 3, а видно, что с ростом среднего эффективного давления p е концентрации оксида углерода вначале уменьшаются от CCO = = 290…630 до CCO = 144…475 ppm (при p е = 0,24 МПа), а затем увели чиваются до CCO = 472…989 ppm (при p е = 0,63 МПа).
Концентрации сажи Cс на рисунке 3, б вначале увеличиваются от Cс = 6,3–11,3 до Cс = 9–16 % (при p е = 0,24 МПа), а затем уменьшаются от Cс = 19–26 % при p е = 0,63 МПа.
Из рисунка 3, в видно, что кривые изменения концентраций углеводо родов имеют форму вогнутых парабол, которые вначале резко снижают ся от CCH = = 47,5…59 до CCH = 4…36 ppm при pе = 0,16…0,19 МПа, за тем увеличиваются до CCH = 25…60 ppm при p е = 0,63 МПа.
На рисунке 3, г концентрации оксидов азота вначале увеличиваются от CNOх = 198…227 до CNOх = 370…494 ppm (при pе = 0,15 МПа), затем на блюдается резкий рост концентраций до CNOх = 1276…1420 ppm (при pе = = 0,47…0,51 МПа).
Зависимости коэффициентов выхода сажи и оксида углерода с отра ботавшими газами дизеля, работающего на топливе с присадкой дека аква-2-сульфобензоат эрбия, представлены на рисунке 4, а, б.
а б Рисунок 4 – Расчтные зависимости коэффициентов выхода: а – сажи Kс, б – оксида углерода KCO с отработавшими газами дизеля 4Ч 11/12,5, работающего на топливе с присадкой декааква-2-сульфобензоат эрбия, от среднего эффективного давления pе при заданных значениях частоты вращения: 1 – n = 1000 мин–1;
2 – n = 1400 мин–1;
3 – n = 1600 мин–1;
4 – n = 1800 мин–1;
5 – n = 2000 мин–1;
6 – n = 2200 мин– На рисунке 4, а видно, что значения коэффициента выхода сажи вначале снижаются от Kс = 0,19…0,375 до минимума Kс = 0,08…0,275 при pе = = 0,4 МПа, а затем возрастают до Kс = 0,1…0,3 при pе = 0,63 МПа. Значения коэффициента выхода оксида углерода на рисунке 4, б сначала возрастают от KCO = 0,35…0,5 до максимума при нагрузке pе = 0,04…0,05 МПа, затем снижаются почти прямолинейно до KCO = 0,13…0,35 при pе = 0,63 МПа.
В пятом разделе «Сравнительный анализ результатов теорети ческих и экспериментальных исследований» приведены результаты анализов термического разложения веществ исследуемых присадок (рисунок 5), процессов тепловыделения (рисунки 6, 7) и образования сажи при сгорании (рисунок 8) в цилиндре дизельного топлива с иссле дуемой присадкой декааква-2-сульфобензоат эрбия на основе редкозе мельных элементов. Также дан сравнительный анализ концентраций ток сичных компонентов и сажи в отработавших газах дизеля, работающего на топливе без присадок и с антидымными присадками;
коэффициентов вы хода токсичных компонентов с ОГ дизеля при его работе на топливе с ка ждой антидымной присадкой: декааква-2-сульфобензоат эрбия и гидро ксокарбонат лантана.
Рисунок 5 – Результаты термического Рисунок 6 – Зависимость изменения разложения присадки декааква-2- моделируемых нормированных сульфобензоат эрбия: характеристик тепловыделения x (3, 4) 1 – разность относительных значений и скорости тепловыделения dx/d (1, 2) температур T/Tmax вещества присадки в цилиндре дизеля 4Ч 11/12, и температуры е окружающей среды;
от угла поворота коленчатого вала :
2 – относительное значение массы m/mo 1, 3 – без присадки в топливе;
присадки в дизельном топливе;
2, 4 – с присадкой в топливе 3 – относительное значение декааква-2-сульфобензоат эрбия температуры T/Tmax нагрева присадки;
4 – интегральная характеристика относительной тепловой энергии химической реакции E/Emax;
t/to – относительное значение времени Рисунок 7 – Зависимости изменения Рисунок 8 – Зависимость изменения нормированного давления рабочего тела pi моделируемых относительных значений и нормированной индикаторной концентрации сажи в цилиндре температуры Ti от угла поворота дизеля 4Ч 11/12,5 от угла поворота коленчатого вала в первом цилиндре коленчатого вала при его работе дизеля 4Ч 11/12,5 (экспериментальные на номинальном режиме:
индикаторные диаграммы): 1 – без присадки;
2 – с присадкой дека 1, 3 – топливо без присадки;
аква-2-сульфобензоат эрбия 2, 4 – топливо с присадкой декааква-2-сульфобензоат эрбия Анализ графиков на рисунке 5 показывает, что при термическом разло жении присадки декааква-2-сульфобензоат эрбия в начальный момент вре мени наблюдается наибольшая скорость выделения тепловой энергии при экзотермической химической реакции разложения, затем к моменту времени t/to = 0,1 она замедляется. При относительном значении времени t/to = = 0,2…0,36 скорость выделения тепловой энергии увеличивается, масса присадки составляет 0,41, относительное значение температуры нагрева T/Tmax изменяется от 0,2 до 0,35. Затем скорость роста тепловой энергии су щественно замедляется и к моменту времени t/to = 0,525 масса присадки со ставляет m/mo = 0,9, T/Tmax достигает максимума при T/Tmax = 0,53. При дальнейшем повышении температуры в интервале времени t/to = 0,78…0, скорость роста тепловой энергии существенно снижается, что объясняется малым количеством оставшейся массы m/mo присадки при е разложении.
Результаты математического моделирования процессов сгорания в ци линдре дизеля показали достаточно высокую для инженерной практики точ ность разработанной математической модели процессов образования сажи в цилиндре дизеля 4Ч 11/12,5, работающего на топливе с присадкой декааква 2-сульфобензоат эрбия (см. рисунок 6). Точность используемого математи ческого моделирования оценивали показателем среднего квадратичного отклонения данных расчета и эксперимента. Она составляет 95–97 % и обеспечивается моделями в форме дифференциальных уравнений с обыкно венными производными (4–6-го порядка для процессов сгорания):
a4d4Cс/d4 + a3d3Cс/d3 + a2d2Cс/d2 + a1dCс/d + a0 = = b4dgс4/d4 + b3dgс3/d3 + b2dgс2/d2 + b0dgс/d + b0, (18) где а4, …, а0, b4, …, b0, c4, …, c0 – константы.
Добавление присадки декааква-2-сульфобензоат эрбия в дизельное топ ливо увеличивает максимальное нормированное значение тепловыделения x на 8 %.
Из рисунка 7 видно, что наличие присадки декааква-2-сульфобензоат эр бия в дизельном топливе повышает индикаторное давление в среднем на 9 %. Это можно объяснить каталитическим эффектом действия присадки на процесс сгорания, приводящего к интенсификации и увеличению скорости сгорания топлива. Превышение скорости роста индикаторной температуры на 8,5 % на участке сгорания в цилиндре дизеля объясняется увеличением количества тепловой энергии, переходящей в полезную работу при катали тическом действии присадки.
Результаты расчта выделения сажи в цилиндре дизеля 4Ч 11/12,5 по разработанным математическим моделям приведены на рисунке 8. Мак симальное значение концентрации сажи в цилиндре дизеля, работающего на топливе без присадки, наблюдается при угле поворота коленчатого вала = 77°, с присадкой декааква-2-сульфобензоат эрбия при = 67°.
Результаты сравнительного анализа концентраций токсичных компо нентов сажи в отработавших газах дизеля при работе на топливе без при садок и с антидымными присадками представлены на рисунках 9–10.
Рисунок 9 – Экспериментальные Рисунок 10 – Экспериментальные зависимости концентрации сажи зависимости концентрации сажи в ОГ в ОГ от изменения частоты вращения n дизеля 4Ч 11/12,5, работающего и среднего эффективного давления pe на топливе без присадки, дизеля 4Ч 11/12,5 при работе на топливе: с присадками гидроксокарбонат лантана 1 – без присадки;
2 – с присадкой и декааква-2-сульфобензоат эрбия, гидроксокарбонат лантана;
от изменения среднего эффективного 3 – с присадкой декааква-2- давления pе при заданных значениях частоты вращения: 1, 2, 3 – n = 1600 мин–1;
сульфобензоат эрбия 4;
5, 6 – n = 2000 мин– Из рисунков 9–10 видно, что присадка декааква-2-сульфобензоат эрбия эффективнее присадки гидроксокарбонат лантана Наличие е в топливе снижает содержание сажи в отработавших газах дизеля при частоте вращения n = 1600 мин–1 в среднем на 14 %, при n = 2000 мин–1 – на 10 %.
Сравнительный анализ коэффициентов выхода оксида углерода и сажи при добавлении в топливо каждой из присадок декааква-2 сульфобензоат эрбия и гидроксокарбонат лантана приведен на рисунке 11 в форме трхмерных графиков.
а б Рисунок 11 – Расчтные зависимости коэффициентов выхода:
а – оксида углерода СО;
б – сажи С с отработавшими газами от изменения частоты вращения n и среднего эффективного давления pe дизеля 4Ч 11/12, при работе на топливе с присадками:
1 – декааква-2-сульфобензоат эрбия;
2 – гидроксокарбонат лантана Значения коэффициента выхода оксида углерода с ОГ дизеля при рабо те на топливе с присадкой декааква-2-сульфобензоат эрбия на режиме час тоты вращения n = 2200 мин–1 при всех нагрузках в 2,3–2,4 раза выше, чем при использовании присадки гидроксокарбонат лантана. Коэффициент выхода сажи при добавлении в топливо присадки на основе эрбия в 1, раза выше, чем при наличии присадки на основе лантана.
При сравнении действия присадок на снижение концентрации сажи и оксида углерода в отработавших газах дизеля установлено, что при садка декааква-2-сульфобензоат эрбия более эффективна, чем гидро ксокарбонат лантана.
Эксплуатационные испытания универсально-пропашных тракторов (МТЗ-80/80.1), работающих на топливе с антидымными присадками, проводили в двух хозяйствах Саратовской области: ООО «Лада» Арка дакского района и СПК им. Панфилова, г. Петровск. Средняя наработка тракторов за период испытаний составила 800…850 мото-ч. В течение всего срока испытаний периодически производился контрольный осмотр топливной системы и замер дымности ОГ дизеля тракторов на режиме свободного ускорения.
В шестом разделе «Экономическая оценка результатов иссле дования» рассчитана годовая экономия денежных средств на один трактор МТЗ-80.1, которая при введении в топливо присадки декаа ква-2-сульфобензоат эрбия составила 8680,3 руб., гидроксокарбонат лантана – 3239,4 руб. Экономия получена за счт уменьшения рас хода топлива при использовании антидымных присадок без учта снижения выброса вредных веществ, содержащихся в отработавших газах дизеля.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Анализ существующих антидымных присадок к дизельному топливу показал, что они снижают дымность ОГ на 30–50 %, содержание оксида углерода и углеводородов – на 10–30 %, но при этом содержат органиче ские компоненты, которые при сгорании дополнительно образуют вред ные вещества. Более экологически безопасны – антидымные присадки на основе координационных соединений редкоземельных элементов.
2. Разработаны две новые антидымные присадки к дизельному топ ливу, не содержащие органических компонентов, классифицированные на основе химико-термического и рентгенографического анализов ве щества присадок как декааква-2-сульфобензоат эрбия и гидроксокар бонат лантана.
3. Скорректирована известная методика теплового расчта рабочего цикла дизеля Гриневецкого – Колчина, которая позволяет определить параметры циклов дизеля, работающего на топливе с антидымными присадками декааква-2-сульфобензоат эрбия и гидроксокарбонат лан тана;
сравнить расчтные параметры циклов дизеля, работающего на топливе с присадками и без присадок.
4. Проведено моделирование динамики тепловыделения и сажеобра зования в цилиндре дизеля, которое дат возможность заключить, что динамика процессов удовлетворительно описывается предложенными математическими моделями в форме системы дифференциальных уравнений с обыкновенными производными 8-го порядка, а идентифи кационными моделями – в форме уравнений 4–6-го порядка. Оценка разработанных математических моделей показала их достаточную точ ность для практики решения инженерных и научных задач (погреш ность составляет не более 3–4 %). Получено математическое выраже ние для расчта коэффициента использования тепла, учитывающее по ложительные эффекты от действия присадок на процессы испарения и сгорания капель дизельного топлива в цилиндре: выделение дополни тельной порции тепловой энергии от экзотермической реакции при термическом разложении присадок в цилиндре дизеля и действие при садок как катализатора.
5. Стендовыми и эксплуатационными испытаниями подтверждена эффективность разработанных присадок на основе редкоземельных элементов: содержание в ОГ дизеля оксида углерода и углеводородов снизилось в среднем на 15–30 %, дымность уменьшилась на 30–45 %. При эксплуатационных испытаниях на тракторах МТЗ-80/80.1 дымность ОГ на режиме свободного ускорения при использовании присадки гидроксокарбонат лантана составила в среднем 45 %, декааква-2 сульфобензоат эрбия – 40 %, что соответственно в 1,3 и 1,5 раза меньше установленной нормы. При введении в топливо присадки на основе эрбия топливная экономичность дизеля 4Ч 11/12,5 улучшилась в среднем на 6,5 %, а с присадкой на основе лантана – на 5,7%.
6. Значения коэффициента выхода сажи с отработавшими газами дизе ля при работе на топливе с присадкой декааква-2-сульфобензоат эрбия в среднем в 1,3 раза выше, чем при работе на топливе с присадкой гидро ксокарбонат лантана. Однако последняя также рекомендуется к исполь зованию вследствие более простой технологии приготовления в усло виях сельскохозяйственного предприятия.
7. Годовой экономический эффект от применения антидымной присадки декааква-2-сульфобензоат эрбия в топливе на одном тракторе МТЗ-80.1 составляет 8680 руб., а присадки гидроксокарбонат лантана – 3239 руб.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК 1. Цыпцына, А. В. Синтез и исследование антидымной присадки на основе координационного соединения редкоземельных элементов / С. В. Истомин, А. В. Цыпцына // Научное обозрение. – 2012. – № 3. – С. 131–136 (0,5/0,25 печ. л.).
2. Цыпцына, А. В. Снижение дымности отработавших газов дизеля путем введения в топливо присадки на основе соединения редкозе мельных элементов / А. В. Цыпцына // Ремонт, восстановление, модер низация. – 2012. – № 8. – С. 44–47 (0,625/0,625 печ. л.).
3. Цыпцына, А. В. Механизм действия и анализ показателей дымно сти дизеля при использовании присадок в топливо на основе соедине ний редкоземельных элементов / С. В. Истомин, А. В. Цыпцына // На учное обозрение. – 2013. – № 4. – С. 72–75 (0,5/0,25 печ. л.).
Патенты 4. Пат. 2472844 Российская Федерация, МПК С10L 1/18 C10L 1/ C10L 1/30 C10L 10/02. Антидымная присадка / Захарова Т. В., Пожа ров М. В., Цыпцына А. В., Истомин С. В. – № 2011139156/04 ;
заявл.
23.09.2011 ;
опубл. 20.01.2013, Бюл. № 2.
5. Пат. 2472847 Российская Федерация, МПК С10L 1/02 C10L 1/ C10L 1/30 C10L 10/12. Антидымная присадка / Захарова Т. В., Пожа ров М. В., Цыпцына А. В., Истомин С. В. – № 2011139158/04 ;
заявл.
23.09.2011 ;
опубл. 20.01.2013, Бюл. № 2.
Публикации в других изданиях 6. Цыпцына, А. В. Теоретические предпосылки к снижению вредных выбросов дизелей применением присадки в топливо / С. В. Истомин, А. В. Цыпцына // Вавиловские чтения – 2009 : материалы Междунар.
науч.-практ. конф., 25–26 нояб. 2009. – Саратов, 2009. – С. 256– (0,188/0,094 печ. л.).
7. Цыпцына, А. В. К проблеме применения присадок к топливу для улучшения экологических и ресурсных показателей автотракторных дизелей / А. В. Цыпцына // Вавиловские чтения – 2009 : материалы Междунар. науч.-практ. конф., 25–26 нояб. 2009. – Саратов, 2009. – С. 388–389 (0,125/0,125 печ. л.).
8. Цыпцына, А. В. К проблеме применения экологических нанопри садок в топливо. Теория и практика / С. В. Истомин, А. В. Цыпцына // Вавиловские чтения – 2010 : материалы Междунар. науч.-практ.
конф., 25–26 нояб. 2010 : в 3 т. – Саратов, 2010. – Т. 3. – С. 303– (0,188/0,094 печ. л.).
9. Цыпцына, А. В. Снижение токсичности отработавших газов дизелей как фактор повышения экологической безопасности / А. В. Цыпцына // Проблемы экономичности и эксплуатации ДВС : материалы Межгосуд.
науч.-техн. семинара. – Саратов, 2010. – С. 90–92 (0,188/0,188 печ. л.).
10. Цыпцына, А. В. Теоретические предпосылки снижения вредных выбросов отработавших газов дизелей и улучшение приработки трибо сопряжений применением экологических наноприсадок в топливо / С. В. Истомин, А. В. Цыпцына // Научное обозрение. – 2010. – № 4. – С. 47–50 (0,375/0,188 печ. л.).
11. Цыпцына, А. В. К проблеме снижения выбросов вредных веществ с отработавшими газами мобильной техникой / А. В. Цыпцына // Науч ное обозрение. – 2010. – № 4. – С. 44–47 (0,313/0,313 печ. л.).
12. Цыпцына, А. В. К механизму действия металлоплакирующих присадок на основе координации соединений редкоземельных элемен тов / М. В. Цыпцын, А. О. Носов, А. В. Цыпцына, А. А. Ерышов // На учное обозрение. – 2010. – № 6. – С. 43–45 (0,188/0,063 печ. л.).
13. Цыпцына, А. В. Теоретическое обоснование механизма действия ме таллсодержащей антидымной присадки / С. В. Истомин, А. В. Цыпцына // Научное обозрение. – 2010. – № 5. – С. 40–44 (0,438/0,219 печ. л.).
14. Цыпцына, А. В. Разработка математических моделей статистиче ских оценок эффективности средств снижения токсичных веществ на различных эксплуатационных режимах дизеля / С. В. Истомин, А. В.
Цыпцына // Научное обозрение. – 2011. – № 2. – С. 9–13 (0,562/0, печ. л.).
15. Цыпцына, А. В. Выбор химического соединения для антидымной присадки и способ ее получения / С. В. Истомин, А. В. Цыпцына // На учное обозрение. – 2011. – № 3. – С. 4–7 (0,375/0,188 печ. л.).
16. Цыпцына, А. В. Снижение дымности дизеля путем введения в то пливо присадки на основе соединения редкоземельных элементов / М. В. Пожаров, А. В. Цыпцына, Т. В. Захарова // Вопросы биологии, экологии, химии и методики обучения. – 2012. – № 14. – С. 94– (0,375/0,125 печ. л.).
Подписано в печать 20.11.2013 г.
Формат 6084 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура Times.
Печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ