Фізико-хімічні властивості біопалив. Вплив властивостей на процеси сумішоутворення, згоряння, утворення оксиду азоту й сажі в циліндрі двигуна. Розробка комплексної математичної моделі робочого процесу дизеля і враховує вплив властивостей біопалив.
При низкой оригинальности работы "Поліпшення техніко-економічних показників дизеля 4ЧН 12/14, що працює на біопаливах", Вы можете повысить уникальность этой работы до 80-100%
Поліпшення техніко-економічних показників дизеля 4ЧН 12/14, що працює на біопаливахЦі палива відрізняються від традиційного фізико-хімічними властивостями, що призводить до змін протікання процесів у циліндрі двигуна та погіршення його показників. Робота виконана на кафедрі ДВЗ НТУ «ХПІ» відповідно до договору Харківської обласної державної адміністрації з Національним технічним університетом «Харківський політехнічний інститут», підприємствами і фірмами регіону про впровадження досягнень науково-технічного прогресу на період 2000-2005 рр., держбюджетних тем МОН України: «Фізико-хімічні дослідження щодо використання альтернативних палив та альтернативних матеріалів в перспективних вітчизняних двигунах внутрішнього згоряння для автотранспортних засобів» (ДР №0100х001654); «Фундаментальні дослідження робочих процесів та токсичності перспективних автотранспортних двигунів при їх конвертації на альтернативні палива» (ДР №0103х001500); «Закономірності кінетики згоряння, динаміки тепловиділення та формування токсинів у двигунах внутрішнього згоряння (ДВЗ) при їх роботі на альтернативному паливі» (ДР №0204х006545), в яких здобувач був виконавцем окремих розділів. Розрахунково-експериментальними методами дослідити вплив властивостей біопалив на процеси сумішоутворення, згоряння, утворення оксиду азоту й сажі в циліндрі двигуна. Розробити комплексну математичну модель робочого процесу дизеля, яка дозволяє розрахувати процеси сумішоутворення, згоряння, утворення оксиду азоту й сажі та враховує вплив на ці процеси властивостей біопалив.
Список литературы
Результати дисертаційної роботи опубліковано в 7 роботах, 5 з яких - у фахових виданнях ВАК України, 1 - у збірнику наукових праць; отримано 1 патент України.
Обсяг і структура дисертації
Дисертаційна робота складається з вступу, 4 розділів, висновків, 3 додатків. Повний обсяг дисертації складає 190 сторінок; з них 14 ілюстрацій по тексту, 46 ілюстрацій на 32 сторінках; 5 таблиць по тексту; 10 таблиць на 7 сторінках; 120 найменувань використаних літературних джерел на 11 сторінках; 3 додатка на 32 сторінках. біопаливо двигун дизель згоряння
Основний зміст
У вступі обґрунтовано актуальність дослідження, розглянуто стан розробки проблеми, сформульовано мету та основні задачі дослідження, надано інформацію про наукову новизну та практичну цінність роботи, визначено особистий внесок здобувача в одержані результати.
Перший розділ присвячено аналізу проблеми використання в дизелі альтернативних палив, зокрема вироблених на основі рослинних олій.
Проаналізовано вплив фізико-хімічних властивостей альтернативних палив на показники дизеля. Показано, що вимогам забезпечення високих техніко-економічних показників дизеля добре відповідають біопалива, які вироблені на основі рослинних олій.
Розглянуто й проаналізовано світовий досвід використання біопалив. Наведено умови, за яких виробництво і споживання біопалив стають економічно вигідними. Виконана оцінка перспектив використання біопалив в Україні показала можливість заміни на ці палива найближчим часом 4 - 10% споживання дизельного палива, а в перспективі - до 50%.
Показано, що відмінності властивостей біопалив призводять до змін у протіканні процесів сумішоутворення та згоряння в циліндрі двигуна, які значною мірою визначають паливну економічність ДВЗ і токсичність його відпрацьованих газів. Це обумовлює необхідність проведення досліджень впливу властивостей біопалив на процеси сумішоутворення, згоряння, утворення оксиду азоту й сажі в циліндрі, розробки математичних моделей цих процесів, пошуку раціональних регулювальних та конструктивних параметрів дизеля.
У другому розділі наведено методику й результати експериментальних досліджень застосування в дизелі СМД-23 біопалив.
У науковому дослідженні використовувалось стандартне дизельне паливо, суміші ДП із обємним вмістом ріпакової олії (РО) 25, 50 і 75%, а також етиловий ефір ріпакової олії (ЕЕРО). У розділі наведені дані щодо розробленої технології одержання ЕЕРО, експериментальної установки, за допомогою якої отримано дослідну партію цього біопалива. Описано лабораторне обладнання та методики дослідження фізико-хімічних властивостей біопалив.
Результати дослідження (табл. 1) показують, що властивості біопалив значно відрізняються від властивостей ДП. Це призводить до змін у протіканні робочого процесу і, як наслідок, до зміни показників дизеля.
Таблиця 1. Фізико-хімічні властивості досліджених палив
Описано обєкт досліджень - дизель 4ЧН12/14 (СМД-23) та дослідницький стенд лабораторії ВАТ «ГСКБД» (м. Харків). Під час випробувань здійснювалося індицірування дизеля, вимір тиску палива перед форсункою та переміщення голки форсунки вимірювальним комплексом AVL-653. Визначення концентрації оксидів азоту в ВГ здійснювалося хемілюмінесцентним газоаналізатором 344ХЛ01. Вміст оксиду вуглецю в ВГ вимірявся інфрачервоним газоаналізатором 121ФА-01. Димність ВГ визначалася димоміром «Хартридж» HR158. У процесі випробувань відбиралися проби ВГ для їх хроматографічного аналізу. Випробування виконані при постійному установочному куті випередження впорскування та незмінному регулюванні паливного насоса. Двигун працював на режимах навантажувальних характеристик із частотами обертання колінчастого вала, що відповідають номінальній потужності (n = 2000 хв-1) та максимальному крутному моменту (n = 1500 хв-1). Основні результати експериментальних досліджень дизеля 4 ЧН 12/14 наведені на рис. 1.
На рис. 2 наведено характеристики тепловиділення в циліндрі дизеля, які отримані шляхом обробки експериментальних індикаторних діаграм. У другому розділі дисертації докладно розглянуто та проаналізовано особливості і характерні тенденції протікання процесів сумішоутворення та згоряння для біопалив в циліндрі ДВЗ.
Показано, що при використанні біопалив рослинного походження відбувається збільшення питомих ефективних витрат палива (див. рис. 1). Зміна показників токсичності на різних режимах має неоднозначний характер. На режимах високих навантажень, як правило, збільшуються викиди NOX та зменшується вміст СО і сажі у ВГ дизеля. На режимах з низькими навантаженнями вихід продуктів неповного згоряння майже не змінюється, а викиди оксидів азоту знижуються.
Хроматографічне дослідження проб ВГ, які були відібрані при випробуваннях, показало, що утворення незгорілих вуглеводнів при згорянні біопалив підпорядковується тим самим тенденціям, що й утворення інших продуктів неповного згоряння (СО, сажі).
Для комплексної кількісної оцінки ефективності застосування у дизелі біопалив було виконано аналіз показників дизеля за випробувальними тестами. Як критерії ефективності прийняті середні експлуатаційні питомі ефективні витрати палива й ККД (відповідно ge сер.е та зе сер.е), а також питомі викиди оксидів азоту GNO з ВГ двигуна (рис. 3). Ці показники були отримані шляхом обробки експериментальних даних за методиками різних випробувальних тестів. Для оцінки параметрів автомобільного дизеля прийнятий 13-режимний тест ЕСЕ правил №49 ЄЕК ООН. Показники комбайнового, тракторного (окремо гусеничного та колісного) дизелів оцінювалися за 8-режимними тестами, які запропоновані проф. І.В. Парсадановим.
Встановлено, що найбільш ефективно використання суміші ДП із вмістом РО 25%. При цьому досягаються найбільші значення ефективного ККД при незначному збільшенні викидів оксидів азоту та питомих ефективних витрат палива. В цілому, аналіз гістограм показав високу ефективність використання всіх розглянутих палив. Відносна зміна зе сер.е при використанні сумішей РО та ДП не перевищує 2%, ЕЕРО - 3%, зміна викидів NOX перебуває в межах 10%.
У третьому розділі наведено результати уточнення математичних моделей процесів згоряння та утворення оксиду азоту й сажі в циліндрі дизеля.
За вихідну модель процесу згоряння прийнята математична модель, яка була запропонована к.т.н. О.І. Філіпковським, вдосконалена к.т.н. О.Ю. Ліньковим, та базується на відомій моделі згоряння проф. І.І. Вібе. В цій моделі розрахункова форма диференціальної кривої тепловиділення має два піки, що відповідають періодам спалаху та дифузійного згоряння. Враховано процеси випаровування, дифузії й хімічної кінетики реакцій. Зміна фізико-хімічних властивостей біопалив корегується коефіцієнтами при обчисленні середнього обємно-поверхневого діаметра краплі d32 і виправної функції на теоретичну константу випаровування.
Запропоновано при розрахунку періоду спалаху враховувати відносну кількість палива уві, що випарувалося за період затримки запалення фі:
де bi - відносна константа випаровування;
уі - відносна кількість палива, що подано за період затримки запалювання.
Також запропонована схема узгодження першого й другого періодів тепловиділення, що враховує долю палива, яке вигоріло в період спалаху. Згідно цій схемі спочатку розраховуються відносна кількість палива XI, яке вигоріло в ході періоду спалаху. Швидкість тепловиділення в процесі дифузійного згоряння корегується коефіцієнтом
S = 1 - XI.
Дані уточнення дозволили підвищити адекватність вихідної моделі процесу тепловиділення (рис. 4).
При моделюванні процесів утворення й вигоряння сажі в циліндрі дизеля за основу прийнято фізико-хімічну модель, яку запропоновано проф. М.Ф. Разлейцевим.
Згідно даній моделі, утворення сажі відбувається в процесах ланцюгового перетворення молекул палива в полумї, а також у ході полімеризації й дегідрогенізації ядер крапель палива, що випаровуються. Зменшення концентрації сажі в камері згоряння відбувається внаслідок її вигоряння й зміни обєму циліндра. Показано, що розрахунки процесу утворення сажі за вихідною моделлю у випадку використання рослинних палив призводять до суттєвої похибки.
Запропоновано динаміку утворення й вигоряння сажі корегувати емпіричним коефіцієнтом b, що враховує взаємодію молекулярного кисню із частками сажі: , де RO - доля кисню в молекулі палива.
Дане уточнення дозволило отримати задовільний збіг розрахункових та експериментальних результатів (див. рис. 5).
При моделюванні процесу утворення оксиду азоту вперше проаналізовані та зіставлені два підходи: модель проф. В.О. Звонова, згідно з якою більша частка оксидів азоту в дизелі утворюється за «термічним» механізмом, та модель проф. М.Ф. Разлейцева, за якою NO в дизелі утворюється переважно за «кінетичною» схемою.
Для цього детально були проаналізовані результати досліджень утворення NO як за «термічним», так і «кінетичним» механізмами. Аналіз результатів розрахунків за «термічним» механізмом, який наведено у третьому розділі, показав, що відмінності властивостей біопалив практично не впливають на рівноважний склад, теплоємність, ентальпію продуктів згоряння, а отже й на вихід NO. При використані вихідної «термічної» моделі одержані завищені розрахункові концентрації NO. В роботі автором запропоновано враховувати ефект розведення концентрації NO порціями продуктів згоряння, що утворилися за розрахунковий крок. Також запропонована методика уточнення температури продуктів згоряння в зоні утворення NO. Ці уточнення дозволили достатньо добре ідентифікувати «термічну» модель.
У «кінетичій» моделі проф. М.Ф. Разлейцева вихід NO залежить від динаміки тепловиділення, циклової подачі палива, коефіцієнту надлишку повітря та інших факторів. Раніше при розрахунках використовувалися переважно інтегральні вирази для визначення концентрації NO на виході з циліндру. Закінчення періоду спалаху приймалося в момент 10 град. п.к.в. після початку згоряння. В дисертаційному дослідженні запропоновано розрахунки динаміки утворення оксиду азоту виконувати за диференціальними рівняннями. Це дозволило більш точно врахувати момент закінчення першого періоду процесу згоряння. здобувачем також запропоновані уточнення, які повязані з різними значеннями нижчої теплоти згоряння традиційних і альтернативних палив. Усі ці уточнення дозволили отримати добрий збіг розрахункових та експериментальних даних (рис. 7).
Виконано аналіз розглянутих моделей процесу утворення NO по їхній реакції на зміну параметрів, що впливають. Найбільш показові результати отримані при аналізі впливу зміни кута випередження впорскування иоп на розрахунковий вихід NO. иоп - практично єдиний параметр, зміна якого найбільшою мірою й практично однозначно впливає на вихід NO. Аналіз літературних даних, який наведено у третьому розділі, показав, що при зменшенні кута випередження впорскування на 10 град. п.к.в. викиди оксидів азоту зменшуються на 30…60%.
Результати розрахунків за двома моделями показали, що тенденції зміни виходу NO погоджуються з експериментальними даними. Однак зміна абсолютної величини істотно розрізняється. Більш достовірні результати отримані при розрахунку за «кінетичною» моделлю: зменшення иоп на 10 град. п. к. в. призводить до зниження GNO на 30…50%. Розрахунок за «термічною» моделлю дає значно меншу зміну виходу NO - близько 6% на кожні 10 град. п.к.в. Тому для подальших досліджень прийнято саме модель проф. М.Ф. Разлейцева.
У четвертому розділі виконано вибір та обґрунтування раціональних параметрів дизеля, що працює на традиційному та альтернативному паливах.
Дослідження проведено для режиму номінальної потужності. Варіювалися - ступінь стиску е, кут випередження впорскування иоп, тиск наддування ps та тривалість впорскування палива цвпр.
Проаналізовано вплив зміни параметрів на розрахункові показники дизеля. Показано, що варіювання параметрів у багатьох випадках призводить до протилежного характеру зміни показників економічності ДВЗ й токсичності його ВГ. У звязку з цим необхідно було вибрати критерій, який дозволив би знайти компромісне рішення.
В роботі використано паливно-екологічний критерій КПЕ, який запропоновано проф. І.В. Парсадановим. Вираз для розрахунку цього критерію модифіковано стосовно до режиму номінальної потужності й урахуванню двох найбільш шкідливих компонентів ВГ - оксидів азоту і твердих часток.
Проаналізовано вплив зміни обраних параметрів на значення паливно-екологічного критерію. Показано, що для збільшення паливно-екологічної ефективності необхідно збільшувати е, ps і зменшувати цвпр. Залежність комплексного критерію від иоп неоднозначна.
Пошук раціональних значень параметрів здійснювався методом перебору всіх можливих сполучень із заданим кроком зміни факторів. Величина тиску згоряння pz обмежувалася на рівні 13,5 МПА. Вибір раціональних значень факторів виконувався в три етапи залежно від кількості параметрів, що змінювалися, і передбачуваних витрат (табл. 2 - 4). На першому етапі варіювалися два параметри - е і иоп. На другому етапі змінювалися три параметри - е, иоп і ps, або е, иоп і цвпр. На третьому етапі досліджувалася зміна чотирьох параметрів.
Раціональні значення параметрів при використанні суміші ДП і РО (75:25) (вихідні параметри: ps = 0,20 МПА; иоп = 20 град. п.к.в. до ВМТ; цвпр = 24 град. п.к.в; е =15,5; вихідні показники: ge=224 г./(КВТ·год); GNO = 15,5 г/(КВТ·год); К = 19%).
Показано, що одночасного зниження витрат палива й зменшення викидів шкідливих речовин можна досягти тільки у випадку одночасної зміни трьох (е, иоп і цвпр), або чотирьох (е, иоп, цвпр, ps) параметрів. При цьому раціональні значення факторів знаходяться в діапазонах: е = 15,5…16,5, иоп = 7…11 град. п.к.в. до ВМТ, ps = 0,215…0,24 МПА. Варіювання параметрів в указаних діапазонах дозволить знизити GNO - на 0.. 2,8 г/(КВТ·год), димність - на 0…15%, а за умов досягнення цвпр = 14 град. п.к.в. - знизити і ge на 10…15 г./(КВТ·год).
В результаті досліджень доведено, що для рослинних палив раціональні значення ступеня стиску більше, ніж для ДП на 1…2 одиниці, а значення кута випередження впорскування на 1-2 град. п.к.в. до ВМТ менше. Це повязане із необхідністю зниження викидів оксидів азоту, які при використанні біопалив, як правило, збільшуються.
Раціональні значення тиску наддування для рослинних палив на 0,02…0,03 МПА нижче, ніж для ДП. При використанні біопалив значно зменшується вихід сажі з ВГ, тому й необхідність збільшення тиску наддування, як заходу, що призводить до зменшення сажоутворення, для рослинних палив менше.
Одержані раціональні значення тривалості впорскування є мінімальними з діапазону, що варіювався. Проведені розрахунки показали, що для забезпечення цвпр = 14 град. п.к.в. потрібно збільшити тиск перед отворами розпилювача форсунки рфмах до величини близько 160 МПА, що становить досить складну задачу у випадку використання серійної паливної апаратури.
Тому виконано пошук раціональних сполучень параметрів для інших значень тривалості впорскування (рис. 9). Отримані раціональні значення е і ps практично не змінюються із зменшенням тривалості впорскування, а иоп необхідно зменшувати. У всьому діапазоні зміни цвпр поліпшуються токсичні показники у порівнянні з базовими. Поліпшення паливної економічності дизеля відбувається при цвпр менше 20 град. п.к.в. (рфмах близько 80 МПА).
Важливим результатом дисертаційного дослідження є висновок на користь використання біопалив рослинного походження для досліджуваного ДВЗ. З табл. 2-4 видно, що при вживанні суміші ДП із вмістом РО 25% та ЕЕРО можливо досягти більших, ніж для ДП значень паливно-екологічного критерію (відповідно 0,249, 0,244 і 0,237). Отже показано, що паливно-екологічна ефективність використання біопалив вище, ніж ефективність застосування ДП.
Висновки
У дисертаційному дослідженні поставлена та вирішена важлива науково-практична задача поліпшення техніко-економічних показників дизеля 4 ЧН 12/14, що працює на дизельному паливі та біопаливах. Виконання даної задачі забезпечено проведеним експериментальним дослідженням, уточненням математичних моделей процесів згоряння, утворення оксиду азоту та сажі, розрахунковим дослідженням з використанням комплексного паливно-екологічного критерію.
У дисертаційному дослідженні одержані нові наукові і практичні результати: 1. Досліджені фізико-хімічні властивості етилового ефіру ріпакової олії та сумішей ріпакової олії з дизельним паливом.
2. Проведено стендові випробування дизеля 4ЧН12/14 на традиційному паливі та біопаливах. Встановлено характерні ознаки протікання процесів сумішоутворення, згоряння й утворення шкідливих речовин при використанні біопалив.
3. Проведено оцінку ефективності застосування біопалив у дизелі 4ЧН12/14. Виявлено, що найбільш ефективно використання суміші ДП і РО із обємним вмістом РО 25%.
4. Вперше розраховані рівноважні склади, теплоємності та ентальпії продуктів згоряння біопалив.
5. Розроблено комплексну математичну модель робочого процесу дизеля, яка дозволяє розрахувати процеси згоряння, утворення оксиду азоту й сажі та враховує вплив на ці процеси властивостей біопалив. У вихідних моделях здобувачем уточнено: - при розрахунку динаміки тепловиділення в циліндрі двигуна врахований процес випарування палива за період затримки запалення й запропонована схема узгодження періодів згоряння;
- в розрахунковій моделі процесу утворення сажі запропоновано враховувати вплив на цей процес кисню, що входить до складу біопалив;
- в «термічній» моделі процесу утворення NO запропонована схема урахування дисоціації, надрівноважних концентрацій компонентів продуктів згоряння, похибок розрахунку теплоємностей та ентальпій;
- в «кінетичній» моделі процесу утворення NO уточнені диференціальні рівняння та запропоновані залежності, які враховують нижчу теплоту згоряння біопалив.
6. Модифіковано вираз для розрахунку паливно-екологічного критерію на режимі номінальної потужності дизеля. На основі цього критерію запропоновано поетапний пошук раціональних параметрів залежно від кількості факторів і передбачуваних витрат. Показано, що одночасного зменшення складових експлуатаційних витрат можна досягти шляхом варіювання трьох (е, иоп, цвпр), або чотирьох (е, иоп, цвпр, ps) параметрів.
Знайдені раціональні значення факторів складають: е = 15,5…16,5; иоп = 7…11 град. п.к.в. до ВМТ; цвпр = 14 град. п.к.в.; ps = 0,215…0,24 МПА. Варіювання параметрів у зазначених діапазонах дозволить знизити ge на 10…15 г./(КВТ·год), GNO на 0.. 2,8 г/(КВТ·год) та димність на 0…15%.
7. Показано, що при використанні біопалив раціональні значення ступеня стиску вище, ніж для дизельного палива (приблизно на одиницю), а значення кута випередження упорскування й тиску наддування нижче (відповідно на 1…2 град. п.к.в. і 0,02…0,04 МПА).
8. Знайдено раціональні параметри при різних значеннях тривалості впорскування палива. Запропоновані значення параметрів забезпечують зниження токсичності ВГ дизеля, а при цвпр менше 20 град. п.к.в. - й поліпшення його паливної економічності.
9. Встановлено, що при вживанні суміші ДП із вмістом РО 25% та ЕЕРО можливо досягти більших, ніж для ДП значень паливно-екологічного критерію (відповідно 0,249, 0,244 і 0,237). Таким чином показано, що паливно-екологічна ефективність використання біопалив вище, ніж ефективність застосування ДП.
10. Результати наукового дослідження впроваджені і використовуються Казенним підприємством «Харківське конструкторське бюро з двигунобудування» (м. Харків), проблемною науково-дослідною лабораторією кафедри двигунів внутрішнього згоряння НТУ «ХПІ», а також у навчальному процесі при підготовці студентів спеціальності 090210 - двигуни внутрішнього згоряння в НТУ «ХПІ».
Размещено на .ru
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
