Совершенствование рабочего процесса дизеля с объемно-пленочным смесеобразованием при использовании в качестве топлива рапсового масла

На сегодняшний день двигатель внутреннего сгорания, далеко перешагнув за столетний юбилей, прошёл сложный эволюционный процесс от простейшей, на наш современный взгляд, установки до сложнейшего агрегата, впитавшего в себя множество научных достижений человеческого разума. И каким бы ни было соотношение «за» и «против» его дальнейшего существования, в данный момент ДВС является основным преобразователем энергии химических связей углеводородного топлива в механическую работу и, следовательно, основным потребителем нефтепродуктов.

На протяжении всего двадцатого столетия шло интенсивное развитие нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей отраслей промышленности. Открывались новые месторождения нефти и разрабатывались более совершенные технологии по ее переработке. Это стимулировалось ростом потребности в топливе нефтяного происхождения, главным образом на нужды транспорта, без которого уже сложно представить себе современное человечество. Автомобиль, в большинстве стран с развитой экономикой, давно перестал быть предметом роскоши, а стал лишь средством передвижения.

Темпы роста численности автотранспорта к концу двадцатого столетия приобрели лавинообразный характер, что, в совокупности с ограниченными запасами нефти в недрах земли, привело к проблеме энергетического кризиса, начавшегося в конце семидесятых — начале восьмидесятых годов двадцатого века.

В энергетическом балансе большинства развитых стран мира основным энергоносителем на сегодняшний день является ископаемое топливо. Известно, что около 90% механической энергии, которую использует в своей деятельности человечество, вырабатывается двигателями внутреннего сгорания (ДВС). Они являются основными потребителями топлив нефтяного происхождения, и потребность ДВС в топливе на 97−99% удовлетворяется за счет нефтяного топлива.

Известно, что мировые запасы нефти с каждым годом сокращаются, а новые месторождения находятся все реже. По оценке специалистов запасы нефти закончатся еще при жизни нынешнего поколения. Через двадцать лет, ее потребление, при сохранении темпов роста, возрастет еще на 20%, развивающиеся страны будут потреблять нефти на 50% больше, чем сегодня. Производители топлива на основе нефти будут не в состоянии удовлетворить возросшие потребности человечества по причине дефицита сырья, что приведет к обострению, в масштабах всей планеты, проблемы энергетического кризиса.

Сегодня перед учеными и инженерами стоит чрезвычайно ответственная и серьезная задача: найти и реализовать на практике методы получения топлив альтернативных нефтяному топливу для нужд техники, оснащенной двигателями внутреннего сгорания, что призвано разрешить общемировую политическую напряженность, которая практически неизбежна, на фоне глобального энергетического кризиса. Перед творцами науки и техники стоит задача предложить нашей техногенной цивилизации путь рационального, ресурсосберегающего и природосберегающего пользования, найдя новые источники топлива.

Говоря о последних тенденциях в области двигателестроения, следует отметить, что крупнейшие фирмы-производители особое внимание уделяют разработкам и производству двигателей с воспламенением от сжатия, как более экономичным, по сравнению с двигателями с принудительным воспламенением. Этот тип двигателей прошел сложный путь развития от предложенной Рудольфом Дизелем идеи компрессорного впрыска угольной пыли, до современных высокооборотных машин, работающих на жидком топливе, в которых реализовано множество достижений научно-технического прогресса. Двигатели с воспламенением от сжатия зарекомендовали себя надежными, экономичными и обладающими хорошими экологическими характеристиками силовыми установками, и на сегодняшний день они являются наиболее перспективными силовыми агрегатами для транспорта, находящимися в массовом производстве.

Благодаря особенностям протекания рабочего процесса, дизельный двигатель позволяет применять топлива широкого фракционного состава, и на одном из этапов освоения этих моторов проявлялся интерес к конструкциям двигателей способных работать на широком спектре топлив — это так называемые многотопливные двигатели. Следует отметить, что для главных судовых двигателей нефтеналивных танкеров и прочих судов с большим водоизмещением в качестве топлива, очень часто, применяется мазут [68]. Основная же масса дизелей сегодня работает на традиционном дизельном топливе.

В последнее время новым этапом заинтересованности к вопросу применения в двигателях топлив, альтернативных нефтяным, стал поиск возобновляемых источников горючего на фоне энергетического кризиса. На начальном этапе развития этой идеи, особое предпочтение отдавалось вопросу применения спиртов из сырья растительного происхождения, и в этой области были достигнуты определенные успехи, как в разработке, так и в реализации технических решений. Но все большую актуальность приобретает вопрос использования растительных масел в качестве альтернативного топлива для двигателей с воспламенением от сжатия — дизелей [12,28].

Большинство развитых стран мира прилагают большие усилия в плане разработки методов производства и использования топлив, получаемых из семян растений масличных культур. В качестве топлива используют пальмовое, соевое, подсолнечное, арахисовое, рапсовое и другие масла. Для стран с умеренным климатом, исходя из возможности выращивания, урожайности, содержания масла в семенах, возможным и, в тоже время, наиболее рентабельным признано производство топлива на основе рапсового масла.

Цель данной диссертационной работы заключается в разработке конструктивных и регулировочных мероприятий, обеспечивающих эффективное использование чистого рапсового масла в качестве топлива для дизелей с объемно-пленочным смесеобразованием.

Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Выполнение анализа работ по использованию альтернативных топлив в двигателях внутреннего сгорания.

2. Модернизация ранее созданного на кафедре ДВС АлтГТУ испытательного стенда.

3. Исследование, с применением оптического метода, различий в протекании процесса топливоподачи нефтяного дизтоплива и рапсового масла.

4. Сравнительный анализ рабочего процесса дизеля при его работе на нефтяном дизтопливе и чистом рапсовом масле на основании данных стендовых испытаний с индицированием.

5. Разработка и исследование эффективности мероприятий по оптимизации рабочего процесса дизеля на чистом рапсовом масле.

Научная новизна работы.

Произведено сравнительное исследование процессов топливоподачи, рабочего процесса, экологических и экономических характеристик дизеля с объемно-пленочным смесеобразованием при работе на рапсовом масле и дизтопливе без проведения мероприятий по оптимизации. На основании этого произведена оценка влияния физико-химических свойств рапсового масла на параметры топливоподачи, рабочего процесса, токсичности.

Получены данные сравнительного исследования процесса макросмесеобразования факела (далее струи) дизельного топлива и рапсового масла с применением оптического метода. На основании анализа полученных данных разработан, изготовлен и испытан специальный распылитель для рапсового масла, обеспечивающий улучшение основных показателей рабочего процесса двигателя.

На основании проведенных исследований разработаны мероприятия по оптимизации рабочего процесса на рапсовом масле с наименьшими конструктивными изменениями, что является ценным для сельских хозяйств. Результаты проведенных испытаний подтверждают улучшение параметров работы двигателя благодаря рекомендуемым мероприятиям.

Методы исследования. Работа базируется на экспериментальных исследованиях, в ходе которых были получены многочисленные данные, использованные для тщательного анализа внутрицилиндровых процессов. Для получения достоверных результатов были использованы современные методы измерения и регистрации параметров. Обработка полученных данных проводилась по современным расчетным методикам.

Практическая ценность работы. Установлены количественные и качественные характеристики показателей дизеля с объемно-пленочным смесеобразованием при использовании рапсового масла в качестве топлива. Произведено их сопоставление с характеристиками работы дизеля на стандартном нефтяном дизтопливе. Произведена оценка мероприятий по оптимизации рабочего процесса на рапсовом масле, намечены основные пути в решении задачи эффективного использования рапсового масла в качестве топлива. Результаты работы использованы в учебном процессе и НИРС АлтГТУ им. И. И. Ползунова.

Реализация результатов работы. Данные исследования использованы:

• при выполнении программы министерства образования и науки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы» по проекту «Разработка способов применения рапсового масла в качестве моторного топлива для ДВС» № гос. регистрации 0120.502 609;

• при выполнении работ по государственному контракту № 4346р/6753 «Оптимизация конструкции и параметров топливной системы двигателя, работающего на рапсовом масле»;

• при выполнении работ по договорам № 55−06 «Адаптация дизельных двигателей к топливу на основе рапсового масла» и № 102−06 «Применение смесей рапсового масла и дизельного топлива», заключенными с Администрацией Алтайского краяпри выполнении работ по хоздоговору с ОАО АЗПИ «Испытание распылителей 6А1 и 6А1Р при работе на дизельном топливе и рапсовом масле»;

• студентами и аспирантами кафедры ДВС АлтГТУ при выполнении дипломных проектов и в работах над диссертациями.

Апробация работы. Основные результаты данной работы были доложены или представлены:

• на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Двигатели внутреннего сгораниясовременные проблемы, перспективы развития», Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова, Барнаул, 2006;

• на Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы теории и практики современного двигателестроения», ЮУрГУ, Челябинск, 2006; на 64-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава технического университета им. И. И. Ползунова;

• на всероссийской научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии технического сервиса», Башкирский государственный аграрный университет, Уфа, 2007;

• на Международной научно-технической конференции «Двигатель — 2 007» — посвященной 100-летию специальности «Двигатели внутреннего сгорания» МГТУ им. Н. Э. Баумана;

• на 10-й международной конференции «TRANSPORT MEANS 2006», Технологический университет, Каунас, Литва, 2006.

Публикации. Результаты данной диссертации опубликованы в 7 печатных работах, в т. ч. в одном издании, рекомендованном ВАК.

Объем работы. Диссертационная работа имеет объем 135 страниц машинописного текста, 35 рисунков и 5 таблиц.

На защиту выносятся: результаты оптического исследования влияния физико-химических свойств рапсового масла на процесс впрыска топлива, результаты стендовых испытаний двигателя при его работе на дизтопливе и чистом рапсовом масле, а также результаты анализа мероприятий по оптимизации рабочего процесса дизеля с объемно-пленочным смесеобразованием на чистом рапсовом масле.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

РЕКОМЕНДАЦИИ И ВЫВОДЫ.

1. На основании проведенного обзора, для Алтайского края, как сельскохозяйственного региона, считать целесообразным проведение исследований в области применения чистого рапсового масла в качестве топлива для дизелей семейств Д-440, Д-460, ввиду их широкой распространенности на сельхозмашинах.

2. Модернизирован испытательный стенд для работы на рапсовом масле и применения оптических методов исследования процесса топливоподачи.

3. На основании оптического метода исследования процесса топливоподачи установлено, что при переходе с дизтоплива на чистое рапсовое масло наблюдается следующее: начало топливоподачи смещается в сторону более позднего угла на 3−3,5 град, п.к.в., увеличивается продолжительность топливоподачи на 2−3 град, п.к.в., ухудшается равномерность структуры топливной струи, уменьшается угол раскрытия струна на 40−80%, увеличивается его дальнобойность.

4. По результатам обработки сравнительных стендовых испытаний, установлено, что с переводом дизеля на рапсовое масло наблюдается: увеличение максимального давления топливоподачи до 20%, уменьшение максимального давления газов внутри цилиндра на 8%, уменьшение жесткости процесса сгорания на 4−5% (максимальное значение 0,6 МПа/град. п.к.в.), увеличение температуры отработавших газов на 5−7%, уменьшение индикаторного кпд на 5−8%, увеличение удельного индикаторного расхода топлива на 40−60 г/(кВт-ч), уменьшение содержания в отработавших газах оксидов азота более чем на 20% и сажи на 20−70%, увеличение выбросов оксида углерода на номинальном режиме до 100%.

5. В качестве мероприятий по оптимизации были предложены и исследованы следующие меры: изменение угла опережения впрыска топлива, повышение температуры топлива, увеличение давления начала впрыска топлива, увеличение эффективного проходного сечения распылителя и изменение конструкция распылителя. На основании проведенных исследований установлено, что при переходе на рапсовое масло необходимо: увеличить угол опережения топливоподачи на 2−3°, обеспечить температуру рапсового масла в системе питания дизеля равной 40−45 °С, увеличить давление начала топливоподачи (для существующей системы до 20 МПа), применять распылители с увеличенным на 10% эффективным проходным сечением и распылители специальной конструкции. Проведение данных мероприятий дало возможность сократить разрыв в показателях экономичности работы двигателя на дизтопливе и рапсовом масле с 8 до 3% - по индикаторному кпд и с 60 до 45 г/кВт-ч по удельному индикаторному расходу топлива.