Исследование влияния добавки эфир альдегидной фракции этилового спирта в v дизельное топливо на показатели работы дизельного двигателя 05. 04. 02. тепловые двигатели
На правах рукописи
Филатов Александр Сергеевич ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДОБАВКИ ЭФИР АЛЬДЕГИДНОЙ ФРАКЦИИ ЭТИЛОВОГО СПИРТА В V ДИЗЕЛЬНОЕ ТОПЛИВО НА ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ 05. 04. 02. "Тепловые двигатели"
Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук
Омск- 2002
Работа выполнена ка кафедре «Теплота Сибирской государственной автомобильно
Научный консультант: кандидат технических наук, профессор Шевченко П.Л.
Научный консультант: кандидат технических наук, с.н.с.
К 5!
Корнеев С.В.
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Лебедев О.Н.
кандидат технических наук, доцент Кулманаков С П.
Ведуц;
аи организация: ФГУП Конструкторское бюро транспортного машиностроения, г. Омск.
Защита состоится 2 июля 2002 г. на заседании Диссертационного совета.
Д 212.004.03 в Алтайском государственном техническом университете им.
И.И.Пслзунова по адресу: 656099, г. Барнаул, пр. Ленина, 46., Ползуновский центр АлтГТУ.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного технического университета.
Отзывы на реферат, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу диссертационного совета.
•J- - " — Азтс Ш 4W Учё* днсс юкт
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы обусловлена наблюдаемым в последние годы повышением требований к экологической безопасности дизельных двигателей с одной стороны, и необходимостью снижения затрат предприятий на топливо- с другой. На базе анализа сложившейся экономической ситуации, t наиболее рациональным является решение указанной проблемы, не требующее значительных капитальных вложений и позволяющее снизить токсичные выбросы и эксплуатационные затраты уже находящейся в эксплуатации техники без внесения конструктивных изменений силовой установки. В качестве такого решения предлагается использование Бместо традиционного дизельного топлива эмульсии дизельного топлива и эфир ^ альдегидной фракции этилового спирта (ЭАФ). Использование добавки ^^ ЭАФ позволяет значительно Снизить дымность отработавших газов и "Ч одновременно снизить стоимость топлива. Уменьшение стоимости эмульсии «с •.
^^ по сравнению с дизельным топливом обусловлено тем, что ЭАФ является " отходом производства, утилизация которого представляет значительные трудности, а затраты на образование эмульсий невелики. В то же время ЭАФ вырабатывается в значительных количествах. Реализация результатов о • настоящей работы позволяет одновременно снизить токсичные выбросы дизелей, расходы на топливо и утилизовать отходы производства. В то же время вопросы использования ЭАФ в смеси с дизельным топливом применительно к дизельным двигателям не проработаны в теоретическом и практическом плане, и существует объективная необходимость исследорания, позволяющего оценить влияние добавки ЭАФ на показатели работы дизельного двигателя и дать практические рекомендации по е€ применению.
Целью диссертационной работы является изучение возможности утилизации эфир- альдегидной фракции этилового спирта путйм добавки еС к дизельному топливу в виде топливоспиртовой эмульсии. Для ее достижения необходимо решить ряд задач:
-оценить влияние ЭАФ па основные параметры топливоспиртовон смеси;
-провести теоретические исследования рабочего процесса дизеля на предлагаемом топливе;
•провести экспериментальные исследования влияния добавки ЭАФ на показатели работы дизельного двигателя;
-определить оптимальную концентрацию ЭАФ в дизельном топливе с точки зрения наибольшей экономической эффективности дизеля;
-оценить экологические параметры дизельного двигателя при работе на эмульсиях ЭАФ и дизельного топлива;
-дать практические рекомендации по использованию ЭАФ как добавки к топливу для дизелей.
Объектом исследований является широко распространённый двигатель 24 10,5/12 (Д-2! А1).
Методика исследования представляет собой комплекс расчтно тссреп*ческих и экспериментальных методов. Эксперименты выполнялись с использованием методов математического планирования экспериментов и статистической обработки их результатов с помощью ЭВМ.
Научная новизна работы заключается в следующем: впервые использована добавка ЭАФ к дизельному топливу, изучены основные свойства смессвых топлив, при проведении экспериментальных исследований получен ряд ценных результатов, разработана модель влияния предлагаемой эмульсии дизельного топлива и ЭАФ на основные показатели работы дизеля.
Практическую ценность в представленной работе составляют рекомендации по применению эфир- альдегидной фракции как добавки к топливу для дизельных двигателей.
Внедрение и реализация работы. Материалы исследования приняты к внедрению АТПП «Оша» и ДЭУ-6 объединения «Омскдвтодор», а также используются студентами при дипломном проектировании на кафедре «Теплотехника и тепловые двигатели» СибАДИ.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на научно- технических конференциях СибАДИ и Орловского ГАУ. В полном объёме диссертация обсуждалась на заседании* кафедры «Двигатели внутреннего сгорания» Алтайского государственного технического университета инаучно-техническом семинаре факультета «Транспортные и технологические машины» СибАДИ.
Публикации. По результатам исследования опубликовано четыре печатных работы.
Объём работы. Диссертация достоит из введения, пяти глав, основных выводов и заключения, и списка литературы и* 98 наименования;
содержит •I * I страницу ochohhoixi текста, 40 рисунков I т а б л и ц.
• • ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы исследования и основное содержа н ие ржюты.
Первая глава посвящена анализу состояния вопроса и обзору работ по схожим тематикам. Рассмотрены существующие способы применения спиртовых топлив в двигателях с воспламенением от сжатия. Изучены работы отечественных и зарубежных исследователей, в том числе К.И. Генкина, В.А.
Звонова, Г.М. Камфера, В.А. Лиханова, А.С. Хачияна. Апостолеску, Тадаши и др. Приводятся основные характеристики спиртов, входящих в ЭАФ, дизельного топлива, состав ЭАФ по нормативной документации и фактический.
На основании проведённого обзора работ сделан предварительный вывод о принципиальной возможности применения смеси ЭАФ и дизельного топлива в дизельных двигателях. Сформулирована цель и задачи исслелования.
Во второй главе впервые проведено исследование возможностей получения смесей ЭАФ и дизельного топлива и изменения их основных характеристик. Различие молекулярного строения ЭАФ* и дизельного топлива и их физических характеристик обусловило невозможность растворения компонентов друг в друге. Устойчивые смеси возможны в присутствии высших спиртов (пропанол, бутанол и др.) или в виде эмульсий. Применение эмульсий экономически более оправдано, чем применение добавок высших спиртов. Создание стабильной топливоспиртовой эмульсии требует применения специальной присадки В настоящей работе применялась присадка С-5В. Изучение стабильности полученных эмульсий доказало, что оптимальное содержание присадки в эмульсии составляет 0,75 % об., большее её количество вызывает удорожание полученного топлива, не. улучшая заметно его стабильности.
Сделан вывод о том, что с учётом циркуляции топлива в системе питания двигателя стабильность эмульсий достаточна для их применения на практике. Фракционный состав топлива при добавке ЭАФ значительно расширяется в сторону увеличения содержания легких фракций. Исследование кинематической вязкости эмульсии показало нелинейный xapaicrep её изменения. Пик вязкости имеет место при 30-40% содержании* ЭАФ в зависимости от сорта топлива, см. рисунок 1.
% ЭАФ Рисунок 1- Изменение кинематической вязкости эмульсий в зависимости от содержания ЭАФ Зафиксировано снижение плотности эмульсий по сравнению с дизельным топливом. Проведенная оценка изменения цетанового числа топлива (теоретическая и экспериментальная) показала его снижение при добавке ЭАФ, см. рисунок 2. Также зафиксировано снижение стехиометрического количества воздуха, необходимого для сгорания эмульсии. Выявленная химическая агрессивность ЭАФ во избежание выхода из строя деталей системы питания была устранена Добавкой 0,001% антиокислительной присадки «Ионол» и 0,01% антиржавейной присадки В-15 41.
ftptfr 8 Эсярюг Чч Рисунок 2- Влияние содержания ЭАФ на цетановое число эмульсии На основании проведенного исследования свойств эмульсий сделан предварительный вывод о возможности их применения в качестве топлива для дизельного двигателя без изменения конструкцйн. Однако изменение моторных характеристик обусловило необходимость' подбора оптимальных регулировок топливной аппаратуры.
Третья глава посвящена анализу рабочего процесса дизельного двигателя при работе его на топливоспиртовых смесях и поиску способов оптимизации процессов смесеобразования и сгорания. Выполненный по литературе анализ состояния вопроса и исследование параметров эмульсий показали, что основными проблемами при использовании спиртовых добавок в дизельное топливо являются: повышенная жесткость работы двигателя вследствие невысокого цетанового числа спиртов, снижение мощности двигателя по целому ряду причин, главными из которых являются снижение низшей теплотворной способности топлива, снижение плотности смеси и стехиометрнческого отношения. Из рассмотренных способов улучшения работы двигателя (в тем числе уменьшение угла опережения впрыска топлива, применение нагретых тел, уменьшение давления начала впрыска) наиболее приемлемо снижение давления начала впрыска форсунок. При этом имеется возможность расслоения заряда в объёме камеры сгорания. Некоторое увеличение цикловой подачи позволяет компенсировать обеднение рабочей смеси. Изменение угла опережения впрыска рассматривалось как крайний способ в случае высокой жёсткости работы двигателя.
Проведено теоретическое исследование рабочего процесса силовой установки на основе теплового расчёта по методикам И.И. Вибе и Г.М.
Камфера при работе на дизельном топливе и эмульсиях с различным содержанием ЭАФ. Расчёт проводился для номинального режима.
Использование топливоспиртовых эмульсий обусловило пересмотр некоторых параметров. Прежде всего, применение топливоспиртовых эмульсий, отличающихся по своим моторным и физико-химическим свойствам от дизельного топлива, вызывает изменение состава рябочей смеси, оцениваемого коэффициентом избытка воздуха. Для его вычисления предложена формула:
а^а^евЬш-, (1) L Prm с« где: а д г коэффициент избытка воздуха при работе на дизельном топливе;
Рдг и р-мФ- соответственно плотность дизельного топлива и эмульсии, кг/м3;
Ьодт и Ц-мФ- соответственно теоретический расход воздуха для дизельного топлива и эмульсии, рассчитываемые по известным формулам, кг/кг топл.;
к- коэффициент, учитывающий изменение цикловой подачи.
Эффективный КПД рассчитывайся по формуле:
i?.=3600/(*,x//.), (2) где Ни- низшая теплотворная способность топлива;
МДж/кг.
^Проведённый тепловой расчёт показал, что использование предлагаемых эмульсий не должно привести к значительному ухудшению мощностных и экономических показателей силовой установки, кроме того, возможно повышение эффективного КПД двигателя из- за повышения коэффициента молекулярного изменения.
Таблица Расчётные показатели работы силовой установки Показатель Дизельное ' Эмульсия Эмульсия топливо (ДТ) ДТ+10% ЭАФ ДТ+25% ЭАФ Коэффициент 1,59 1, 1, избытка воздуха а Индикаторный КПД 0,462 0,4619 0, Эффективная • 19,38 18,73 18, мощность N«, кВт Эффективный КПД 0,3460 0, 0, В четвёртой главе описана экспериментальная установка, оценены погрешности измерений, приведены результаты моторных испытаний, приведена обработка результатов эксперимента методами математической статистики. Моторные испытания проводились методом снятия внешней скоростной (см. рисунок 3) и нагрузочных характеристик при оборотах двигателя 1100, 1300, 1600 и 1800 мин"1 при работе на эмульсиях, содержащих 10, 25 и 40% ЭАФ по составленному плану эксперимента. Результаты моторных испытаний были обработаны методами математической статистики.
Жёсткость работы при использовании эмульсий повысилась незначительно, её уровень практически не превышает значений при работе на дизельном топливе. В ходе проведения моторных испытаний были получены следующие результаты. На названных скоростных режимах для эмульсий с и 25% ЭАФ мощностные показатели практически не изменились, часовой и удельный расход эмульсионного топлива на полной нагрузке имеет тенденцию к увеличению, см. рисунок 3. При добавке в дизельное топливо 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1Ю щЦш* • дг • дг+ io»/a*x а дг+2?/а*х *дмомоиф Рисунок 3- Внешние скоростные характеристики двигателя Д-21А1 при работе на различных топливах ю Т0% ЭАФ изменение мощности и удельного расхода топлива находится а пределах погрешности измерений (не более 1,8% по мощности и 5,2% по удельному расходу). При использовании эмульсии с содержанием 25% ЭАФ имеет место снижение максимальной мощности i;
o всём диапазоне оборотов коленчатого вала двигателя на величину около 5% и повышение коэффициента избытка воздуха а, см. рисунки 3,4. Для эмульсий, содержащих 700 « гт г S V ю a Ь U ь * U JV, 600 400 Ь J.* L 5 а чу' У 44 J- \ \ л IH Л А V № V tf/ \ / jr Р it 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Ne,K»r • ДГ • ДГ+10%ЭАФ * ДТ25%ЭАФ Рисунок 4- Нагрузочные характеристики двигателя Д-21А1 при п^^ООмин* до 25% ЭАФ характерно снижение температуры отработавших газов см.
рисунки 3, 4. Удельный расход вырос на величину до 5% (на номинальном режиме), причём по сравнению с аналогичным показателем для работы на дизельном топливе различие наиболее заметно на высоких скоростных режимах. В целом, результаты моторных испытаний совпали с результатами проеденного теплового расчета. Моторные испытания двигателя на эмульсии, содержащей 40% ЭАФ выявили более значительное ухудшение эффективных показателей Характерной чертой этого топлива является падение мощности двигателя на 54% на номинальном режиме, эффект проявляется при частоте вращения выше 1300 мин*1. Соответственно увеличился и удельный расход топлива. Экономические показатели на режимах частичных нагрузок иллюстрирует сравнительная нагрузочная характеристика при n= 1800 мин"1, представленная на рисунке 4. Показано, что при работе на эмульсиях, содержащих до 25% ЭАФ, на частичных нагрузках часовой и удельный расход топлива практически не отличается от работы па дизельном топливе, повышение удельного расхода топлива имеет место лишь при нагрузках, близких к полной. Температура отработавших газов с добавкой ЭАФ снижается при всех скоростных и нагрузочных режимах. Исключением является эмульсия с 40% ЭАФ, при работе на которой на номинальном режиме зафиксировано повышение температуры отработавших газов по причине повышенного недогорания топлива, отмеченного по увеличению дымности, см. рисунок 5, выбросов СО и СН. Неполное сгорание имеет место о, мим Рисунок 5- Дым и ость отработавших газов дизеля Д-21А1 при работе по внешней скоростной характеристике по причине неудовлетворительного распиливания топлива.
Величина токсичных выбросов измерялась газоанализатором дымомером. Выбросы сажи при добавке ЭАФ в топливо изменились, см.
рисунок 5. Применение предлагаемых эмульсий, содержащих до 25% ЭАФ, привело к снижению дымности отработавших газов на всех скоростных и нагрузочных режимах. Наименьшие содержания сажи в отработавших газах имели место при работе дизеля на эмульсии ДТ и 25% ЭАФ. Содержание оксида углерода СО в отработавших газах практически не изменилось, а содержание несгоревших углеводородов СН значительно снизилось.
На базе результатов экспериментальных исследований была построена модель влияния концентрации ЭАФ и регулировок топливной аппаратуры на параметры работы двигателя:
,V, = 19,9 - 1,04х, - 0,95x2 + 0,18х3 - 0,3*,х2;
(3) G, = 4,77 + 0,1х,2-0,13х2;
(4) t r = 4 2 0 - 1 8 / 7 5 *, - 1 1, 2 5 х, 2 - 6,25х 2 + 6 3 Д 5 *, 2 - 1 3, 5 4 х 3 - 1 2, 2 9 x ^ 3. ( 5 ) где: Х|- содержание ЭАФ в эмульсии;
Х2- давление начала впрыска топлива;
хз- угол опережения впрыска.
В пятой главе проведена оценка экономической эффективности исполь:озания добавки ЭАФ к дизельному топливу на примере эксплуатации самоходного катка среднего класса в летний период. Расчёт показал, что для дорожно-строительных предприятий снижение расходов на топлива наблюдается лишь при использовании эмульсий с концентрацией спиртовой добавки выше 18%.Удельные затраты описываются уравнением (6):
« 3^ = -0,0357х, 2 + 0,6925х, +110,18. ' (6) При использовании эмульсий с концентрацией ЭАФ 25% снижение затрат на топ пиво- смазочные материалы составит 4,5%. Результаты работы приняты к внедрению A l t i n «Оша» и ДЭУ-6 объединения «Омскавтодор».
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ 1. Эмульсии, содержащие до 40% эфир- альдегидной фракции обладают достаточной стабильностью. Для предупреждения коррозии деталей топливной системы целесообразна добавка 0,1% • об. антиржавейной присадки В-15-41 и 0,001% антиокислительной присадки «Ионол».
2. При использовании эмульсий происходит обеднение рабочей смеси и повышение жёсткости работы дизеля, оптимальным методом устранения этих явлений является снижение давления начала впрыска форсунок. Малые добавки ЭАФ (до 10%) не приводят к росту задержки воспламенения. В работе предложена формула для определения изменения коэффициента избытка воздуха при работе на топливоспиртовых эмульсиях. Показано, что методика теплового расчёта И.И. Вибе позволяет достаточно адекватно определить индикаторные и эффективные показатели дизельного двигателя при работе на эмульоиях дизельного топлива и ЭАФ.
3. Оптимальное содержание ЭАФ в смеси с летним дизельным топливом составляет 24-26%. Указанная эмульсия позволяет обеспечить наибольшее повышение эффективного КПД дизеля (до 9,4%).
4. Добавка ЭАФ снижает температуру отработавших газов во всм диапазоне скоростных и нагрузочных режимов (до 15%), что снижает тепловую напряжённость силовой установки.
5. Токсические показатели дизеля с введением ЭАФ в топливо улучшаются. В частности, снижается дымность на полных нагрузках (до 4 раз). Выбросы оксида углерода СО остаются очень низкими, на уровне обычных дизелей, хотя и имеется их незначительное повышение (до 0,35%). Выбросы углеводородов изменяются неоднозначно, их мЯнимальное значение присутствует при концентрации ЭАФ в дизельном топливе, ориентировочно соответствующей 20-25%.
6. Влияние добавки ЭАФ всесторонне исследовано и обосновано экономически. Даже с учётом сезонного применения использование добавки оправдано. На базе разработанной эксперименГгальной модели определена оптимальная концентрация ЭАФ в эмульсии.
Проведённый расчёт затрат на эксплуатационные материалы показал их снижение на 4,5%, что соответствует экономическому эффекту 1343,55 руб. за летний период эксплуатации одного катка среднего класса.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Корнеев СВ., Филатов А.С., Ткаченко М.В./Использование спиртовой • добавки к топливу для дорожных машиностроительные и дорожные машины. - 2002.- №1, С. 17-19.
2. Шевченко П.Л., Корнеев С В., Филатов А.С.. /Использование эфир альдегидной фракции этилового спирта в качестве добавки к топливу для дизельных двигателей// «Инженерно- технические обеспечение АПК и машинно- технологические станции в условиях реформирования»: тезисы докладов Международной научно- практической конференции (в 2 т., т.1.). Орёл: Изд-во ОрёлГАУ, 2000.-С.36-38, ил.
3. Шевченко П.Л., Корнеев С.В., Филатов А.С. /Исследование характеристик юпливоспиртовой эмульсии// «Современные проблемы транспортного строительства, автомобилизации и высокоинтеллектуальные научно педагогические технологии»: тезисы докладов Международной научной конференции, посаящённой 70- летию СибАДИ (в2 т., т.1.).- Омск: Изд- во СибАДИ, 2000.- С. 22-24.
4. Шевченко П Л, Филатов А.С. /О влиянии добавки эфир- альдегидной фракции этилового спирта на показатели работы дизеля// «Проблемы автомобильных дорог России и Казахстана^: тезисы докладов