Улучшение экологических показателей быстроходного дизеля снижением дымности отработавших газов при работе на альтернативных топливах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.02, кандидат наук Юрлов Анатолий Сергеевич

• Юрлов Анатолий Сергеевич
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Юрлов Анатолий Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1 Перспективы производства и потребления биотоплива на автотранспорте за рубежом (на примере стран ЕС)

1.2 Перспективы производства и применения метанола в качестве топлива

для двигателей внутреннего сгорания

1.3 Сажеобразование в дизелях

1.3.1 Физические свойства, состав и структура частиц сажи

1.3.2 Влияние рабочих параметров дизеля на характеристики частиц сажи

1.4 Влияние применения метанола на дымность ог дизелей

1.5 Влияние применения метилового эфира рапсового масла на дымность

ОГ дизелей

2 МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ САЖИ В ЦИЛИНДРЕ ДИЗЕЛЯ ПРИ РАБОТЕ НА МЕТАНОЛЕ И МЕТИЛОВОМ ЭФИРЕ РАПСОВОГО МАСЛА

2.1 Основные теоретические положения

2.1.1 Стадия пиролиза топлива и зарождения частицы

2.1.2 Стадия роста поверхности частицы

2.1.3 Коагуляция частиц

2.1.4 Газификация сажи

2.2 Результаты математического моделирования сажевыделения в цилиндре дизеля

3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ БЫСТРОХОДНОГО ДИЗЕЛЯ 2Ч 10,5/12,0 ПРИ РАБОТЕ НА МЕТАНОЛЕ И МЭРМ

3.1 Объект испытаний

3.2 Методика проведения стендовых испытаний по влиянию метанола и МЭРМ на эффективные и экологические показатели быстроходного дизеля

2Ч 10,5/12,0

3.3 Приборы и оборудование, применяемое для исследования быстроходного дизеля 2Ч 10,5/12,0

3.4 Методика обработки результатов исследований и ошибки измерений

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТАНОЛА И

МЭРМ НА ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ БЫСТРОХОДНОГО ДИЗЕЛЯ

4.1 Определение оптимальных установочных углов опережения впрыскивания метанола и МЭРМ в цилиндр дизеля и величины запальной порции топлива

4.2 Влияние применения метанола и МЭРМ на показатели процесса сгорания быстроходного дизеля

4.2.1 Влияние применения метанола и МЭРМ на показатели процесса сгорания быстроходного дизеля в зависимости от нагрузки на номинальном режиме

4.2.2 Влияние применения метанола и МЭРМ на показатели процесса сгорания быстроходного дизеля в зависимости от частоты вращения

4.3 Влияние применения метанола и МЭРМ на эффективные показатели работы быстроходного дизеля

4.3.1 Влияние применения метанола и МЭРМ на эффективные показатели работы быстроходного дизеля в зависимости от нагрузки на номинальном скоростном режиме

4.3.2 Влияние применения метанола и МЭРМ на эффективные показатели

работы быстроходного дизеля в зависимости от частоты вращения

5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТАНОЛА И

МЭРМ НА ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ БЫСТРОХОДНОГО ДИЗЕЛЯ

5.1 Влияние применения метанола и МЭРМ на основные экологические показатели при работе быстроходного дизеля в зависимости от нагрузки на номинальном скоростном режиме

5.2 Влияние применения метанола и МЭРМ на основные экологические показатели при работе быстроходного дизеля в зависимости от частоты вращения

5.3 Расчет удельных показателей токсичности ОГ быстроходного дизеля при работе на метаноле и МЭРМ на режимах испытательных циклов

5.4 Влияние применения метанола и МЭРМ на показатели сажесодержания

в цилиндре дизеля и дымность ОГ быстроходного дизеля

5.4.1 Влияние применения метанола и МЭРМ на показатели сажесодержа-ния в цилиндре дизеля и дымность ОГ быстроходного дизеля на нагрузочных режимах

5.4.2 Влияние применения метанола и МЭРМ на показатели сажесодержа-ния в цилиндре дизеля и дымность ОГ быстроходного дизеля в зависимости от частоты вращения

5.4.3 Расчет интегральных значений дымности ОГ дизеля при работе на

метаноле и МЭРМ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Перечень реакций, рассматриваемых для определения содержания сажи в цилиндре дизеля при работе на метаноле и метиловом эфире рапсового

масла

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Программа расчета сажевыделения в дизеле при работе на метаноле и

МЭРМ

ПРИЛОЖЕНИЕ В

Пример расчета тепловыделения

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

Результаты численного моделирования сажесодержания

ПРИЛОЖЕНИЕ Д

Акты внедрения результатов исследований в учебный процесс и производство

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Улучшение экологических показателей быстроходного дизеля снижением дымности отработавших газов при работе на альтернативных топливах»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Проблема загрязнения окружающей среды токсичными компонентами, содержащимися в отработавших газах (ОГ) двигателей внутреннего сгорания (ДВС), является одной из наиболее актуальных в современном мире. Суммарное количество вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу двигателями автотракторной техники, более чем в три раза превосходит выбросы промышленных предприятий. При этом в основном колёсные и гусеничные машины комплектуются дизелями. В (ОГ) дизелей, работающих на нефтяном топливе, присутствует более 280 токсичных компонентов [1]. Одними из наиболее вредных являются твердые частицы, состоящие преимущественно из сажи. Из методов снижения дымности ОГ наилучший эффект достигается путем применения альтернативных топлив, менее склонных к образованию сажи при горении вследствие особенностей химического состава и физических свойств. К таким топли-вам можно отнести спирты и растительные масла.

Одновременное сокращение запасов разведанных нефтяных месторождений и волатильность цен на нефть и нефтепродукты приводит к обостряющейся проблеме дефицита моторного топлива нефтяного происхождения. Разработка новых способов и технологий, направленных на улучшение экологических и энергетических показателей автотранспортных средств и изучение различных видов топлива (дизельное топливо, природный газ, спирты, топливо растительного происхождения и др.) по показателям экологической эффективности, в первую очередь снижению содержания сажи в ОГ дизелей, может стать серьезным шагом в ускорении развития и применения альтернативных моторных топлив [2, 3].

Из изложенного выше и согласно указу Президента РФ от 07.07.2011 № 899 «Об утверждении приоритетных направлений развития науки, технологии и техники в Российской Федерации и перечня критических технологий Российской Федерации» исследования, направленные на улучшение экологических показателей дизелей путем снижения содержания сажи в ОГ и замещения нефтяного моторного топлива альтернативными, являются приоритетными и актуальными, по-

скольку входят в «Приоритетное направление развития науки, технологий и техники в Российской Федерации: п.8. Энергоэффективность, энергосбережение.» и в «Перечень критических технологий Российской Федерации: п.15. Технологии новых и возобновляемых источников энергии. и п. 27. Технологии энергоэффективного производства и преобразования энергии на органическом топливе», являясь научной задачей, имеющей важное народнохозяйственное значение [4].

Степень разработанности. Важное место в исследованиях использования альтернативных топлив на основе спиртов занимают работы С.А. Абрамова, В.С. Азева, Д.Г. Алексеева, Ю.П. Алейникова, А.А. Анфилатова, Е.Е. Арсенова, В.И. Балакина, А.Б. Виппера, В.А. Гладких, А.А. Глухова, С.Н. Гущина, В.А. Звонова, А.В. Зонова, В.Н. Копчикова, С.Р. Лебедева, М.О. Лернера, В.А. Лиханова, В.М. В.А. Лукшо, В. Лотько, Р.В. Малова, Н.В. Носенко,

A.М. Обельницкого, Н.Н. Патрахальцева, С.А. Плотникова, А.С. Полевщикова,

B.М. Попова, В.П. Попова, С.А. Романова, В.М. Смаля, А.Е. Торопова, А.В. Фоминых, А.Н. Чувашева, А.И. Чупракова и других.

Вопросы применения топлив растительного происхождения рассмотрены в исследованиях С.В. Гусакова, С.Н. Девянина, А.А. Ефанова, А.А. Жосана, Б.П. Загородских, А.Н. Зазули, В.А. Иванова, Н.А. Иващенко, Н.С. Киреевой, Д.Д. Коршунова, С.П. Кулманакова, В.А. Маркова, А.П. Марченко, Д.Д. Матиев-ского, С.Г. Митина, В.Г. Семенова, А.П. Уханова, А.В. Шашева, Е.П. Шиловой, и др. Однако лишь немногие авторы в полной мере занимались исследованием влияния альтернативных топлив на сажеобразование и дымность ОГ дизелей.

Изучение процессов образования и выгорания частиц сажи в том числе в цилиндре дизеля представлено в работах Ф.Г. Бакирова, Н.А. Баранова,

C.А. Батурина, А.Г. Блоха, П.Н. Вылегжанина, У. Гардинера, А.Г. Гейдона, А.А. Глухова, Н.Х. Дьяченко, В.А. Звонова, Я.Б. Зельдовича, В.Г. Кнорре,

A.Д. Кокурина, А.В. Крестинина, В.А. Лиханова, В.Н. Ложкина, В.М. Мальцева, Г.В. Манелиса, З.А. Мансурова, Ф.Ф. Мачульского, А.Л. Новоселова, В.В. Померанцева, В.П. Пушнина, Н.Ф. Разлейцева, А.В. Россохина, Б.И. Руднева,

B.И. Смайлиса, О.И. Смита, М.В. Страдомского, В.Ф. Суровикина, Т. Танзавы,

П.А. Теснера, А.Е. Торопова, В. Хайнеса, Л.Н. Хитрина, И.М. Шаромова, Н. Bockhorn, М. Frenklach, J. Nagle, H.Gg. Wagner и др.

Проведенный анализ выполненных ранее исследований использования альтернативных топлив в дизелях показал, что эффективное снижение дымности ОГ при работе дизеля на спиртовом топливе может быть достигнуто с помощью раздельной топливоподачи. Она обусловлена в первую очередь тем, что спиртовые топлива, впрыснутые в цилиндр дизеля не могут при сжатии самовоспламениться, что связано с их физико-химическими свойствами, и им необходимо дополнительное топливо («пилотное», «запальное»), обеспечивающее при своем самовоспламенении горение спиртового (основного) топлива.

В качестве запального топлива (пилотного) может быть использован метиловый эфир рапсового масла (МЭРМ), способный по своим физико-химическим свойствам к самовоспламенению в цилиндре дизеля.

Цель исследования. Улучшение экологических показателей быстроходного дизеля путем снижения дымности отработавших газов при работе на метаноле и метиловом эфире рапсового масла в качестве запального топлива при их раздельной подаче в камеру сгорания, изучение их влияния на процессы образования и выгорания частиц сажи, мощностные, экологические и экономические показатели, экономию нефтяного топлива.

Объект исследования: быстроходный дизель 2Ч 10,5/12,0 с полусферической камерой сгорания в поршне, оборудованный раздельной системой подачи топлив с впрыскиванием метанола (основного топлива) через штатную и метилового эфира рапсового масла в качестве запального топлива (пилотного) через штифтовую форсунки.

Задачи исследования:

- провести лабораторно-стендовые и теоретические исследования влияния применения метанола и метилового эфира рапсового масла на дымность ОГ быстроходного дизеля 2Ч 10,5/12,0;

- разработать уточненный химический механизм процесса образования сажи в цилиндре быстроходного дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на метаноле и метиловом эфире рапсового масла;

- усовершенствовать математическую модель образования и газификации сажи в цилиндре при работе быстроходного дизеля 2Ч 10,5/12,0 на метаноле и метиловом эфире рапсового масла с учетом особенностей химического механизма сажеобразования;

- произвести расчет показателей сажесодержания при работе быстроходного дизеля 2Ч 10,5/12,0 на метаноле и метиловом эфире рапсового масла и проверить адекватность выполненных расчетов.

Научную новизну работы представляют:

- уточненный химический механизм процесса образования сажи в цилиндре быстроходного дизеля при работе на метаноле и метиловом эфире рапсового масла;

- усовершенствованная математическая модель образования и газификации сажи в цилиндре быстроходного дизеля при работе на метаноле и метиловом эфире рапсового масла;

- результаты экспериментальных исследований влияния применения метанола и метилового эфира рапсового масла на дымность ОГ быстроходного дизеля;

- результаты численного моделирования динамики показателей сажесодер-жания в цилиндре и отработавших газах быстроходного дизеля при работе на метаноле и метиловом эфире рапсового масла.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в следующем:

- для быстроходных дизелей различной размерности при работе на метаноле и метиловом эфире рапсового масла и других альтернативных топливах, предложен усовершенствованный общий алгоритм определения показателей сажесодер-жания, который может быть использован для численного моделирования уровня дымности ОГ, в том числе для многозонных моделей;

- получены эффективные и экологические показатели работы быстроходно-

го дизеля с раздельной системой подачи топлив, которые могут быть применены для дальнейшей оптимизации величины порции запального топлива (пилотного) и установочных углов опережения впрыскивания топлив на различных нагрузочных и скоростных режимах для повышения эффективности работы дизеля на альтернативных топливах;

- проведенные исследования показали, что при работе быстроходного дизеля на метаноле и метиловом эфире рапсового масла возможно полностью заместить дизельное топливо альтернативными и сохранить мощностные показатели на уровне серийного дизеля при существенном снижению дымности ОГ;

- выработаны рекомендации по снижению дымности ОГ быстроходного дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на метаноле и метиловом эфире рапсового масла, определены оптимальные регулировочные параметры работы дизеля.

- материалы диссертации используются в учебном процессе при изучении дисциплин аспирантуры по направлению подготовки 13.06.01 «Электро- и теплотехника» (направленность программы 05.04.02 «Тепловые двигатели»); бакалавриата и магистратуры по направлениям подготовки 23.03.03, 23.04.03 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов», 23.04.01 «Технология транспортных процессов», 35.03.06, 35.04.06 «Агроинженерия» в Вятском ГАТУ, Казанском и Чувашском ГАУ, Нижегородской и Костромской государственных сельскохозяйственных академиях.

- по результатам проведенных исследований на кафедре тепловых двигателей, автомобилей и тракторов ФГБОУ ВО Вятский ГАТУ был создан макетный образец трактора Т-30А80 с быстроходным дизелем 2Ч 10,5/12,0, переоборудованный для работы на метаноле и метиловом эфире рапсового масла.

Методология и методы исследования. При экспериментальных исследованиях работы дизеля на альтернативных топливах применялся сравнительный метод. Приведенные к нормальным условиям показатели работы дизеля на альтернативных топливах сопоставлялись с показателями работы на традиционном топливе на соответствующих установившихся режимах. При этом применялись стандартные методики проведения стендовых испытаний дизелей. Обработка экс-

периментальных данных производилась с использованием современных компьютерных программ со встроенными аппаратами математического анализа и алгоритмами работы с массивами данных. При определении основных показателей работы дизеля по экспериментальным измерениям использовались общеизвестные аналитические зависимости. В теоретических исследованиях использовались фундаментальные законы химической кинетики, термодинамики и теплотехники.

Положения выносимые на защиту:

- уточненный химический механизм процесса образования сажи в цилиндре быстроходного дизеля при работе на метаноле и метиловом эфире рапсового масла;

- усовершенствованная математическая модель образования и газификации сажи в цилиндре быстроходного дизеля при работе на метаноле и метиловом эфире рапсового масла;

- результаты экспериментальных исследований влияния применения метанола и метилового эфира рапсового масла на дымность ОГ быстроходного дизеля 2Ч 10,5/12,0 при различных установочных углах опережения впрыскивания, скоростных и нагрузочных режимах работы;

- результаты численного моделирования динамики содержания сажи в цилиндре и отработавших газах быстроходного дизеля при работе на метаноле и метиловом эфире рапсового масла на различных режимах работы.

Степень достоверности полученных научных результатов обуславливается согласованием полученных результатов с известными данными и использованием:

- аттестованных и поверенных современных средств измерения и действующих стандартов проведения испытаний дизелей;

- общепризнанных зависимостей при определении эффективных, экономических и экологических показателей работы дизеля и показателей процесса сгорания;

- современных методов научного анализа и обработки экспериментальных данных.

Апробация работы. Основные результаты и материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на: VII-XIV Международных научно-практических конференциях «Наука - Технология - Ресурсосбережение», 20142021 гг. (ФГБОУ ВО Вятская ГСХА, г. Киров); XVIII-XIX Международных научно-практических конференциях «Мосоловские чтения» 2016-2017 гг. (ФГБОУ ВО Марийский ГУ, г. Йошкар-Ола); Всероссийских ежегодных научно-практических конференциях «Общество, наука, инновации», 2014, 2015 гг. (ФГБОУ ВПО Вятский ГУ, г.Киров); VII Всероссийской научно-практической конференции «Основные направления развития техники и технологий в АПК», 2015 г. (ГБОУ ВО Нижегородский ГИЭУ, г. Княгинино); Всероссийской научно-практической конференции «Молодежь и инновации», 2015 г. (ФГБОУ ВПО Чувашская ГСХА, г. Чебоксары); Всероссийской научно-практической конференции «Современное состояние прикладной науки в области механики и энергетики», 2016 г. (ФГБОУ ВО Чувашская ГСХА, г. Чебоксары); I, II Международной научно-практической конференции «Динамика механических систем», 2018, 2021 гг. (ФГБОУ ВО Казанский ГАУ, Казань,); Международной научно-практической конференции «Мобильная энергетика в сельском хозяйстве: состояние и перспективы развития», 2018 г. (ФГБОУ ВО Чувашская ГСХА, г. Чебоксары); Международной научно-практической конференции «Prospects of development of agrarian sciences», 2019 г. (ФГБОУ ВО Чувашская ГСХА, г. Чебоксары,); XVI-XIX Международная научно-практическая конференция аспирантов и молодых ученых «Знания молодых: наука, практика и инновации» 2016-2020 гг., (ФГБОУ ВО Вятская ГСХА, г. Киров); International Scientific Conference «Applied Physics, Information Technologies and Engineering» - APITECH-2019, 2019 г., Krasnoyarsk, Russia; II International Conference on Advanced Technologies in Aerospace, Mechanical and Automation En-gineerin - MIST: AEROSPACE-2019, 2019 г., Krasnoyarsk, Russia; Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы аграрно-промышленного комплекса ПМР», 2020 г. (Приднестровский государственный университет им. Т.Г. Шевченко, г. Тирасполь (ПМР); II International Conference on Metrological Support of Innovative Technologies (ICMSIT-II-2021), 2021 г., St. Pe-

tersburg, Krasnoyarsk, Russia; V International Scientific Conference on Agribusiness, Environmental Engineering and Biotechnologies (AGRITECH-V - 2021), Krasnoyarsk, Russia. Макетный образец трактора Т-30А80 демонстрировался на третьей Международной выставке «БиоКиров - 2015», (г.Киров, 2015 г.) и специализированной выставке «День поля 2020» (г.Киров, 2020 г.).

Публикации результатов исследований. Основные результаты и положения диссертационной работы опубликованы в 59 печатных работах объемом 28,28 п.л., включая одну монографию объёмом 11,25 п.л., 8 статей общим объёмом 2,47 п.л. в изданиях международной базы данных Scopus. Без соавторов опубликовано 10 статей общим объемом 8,69 п.л.

Структура и объем работы. Диссертация содержит 253 страницы, из которых 209 страниц машинописного текста, включающего 89 рисунков, 16 таблиц и библиографический список из 233 наименований, и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и 5 приложений на 36 страницах.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1 Перспективы производства и потребления биотоплива на автотранспорте

за рубежом (на примере стран ЕС)

Парижское соглашение, подписанное в декабре 2015 года, стало исторической сделкой: 195 стран договорились ограничить повышение глобальной средней приземной температуры до «значительно ниже 2°С» по сравнению с доинду-стриальными уровнями и продолжить усилия по сохранению повышение глобальной температуры в пределах 1,5°С [5, 6]. Среди различных мер по противодействию изменению климата стало обязательным сокращение выбросов парниковых газов (ПГ) от транспортных систем: в 2017 году на транспорт приходилось 25 % общих выбросов ПГ в ЕС и 31 % потребления энергии [7]. В 2017 году на автомобильный транспорт приходилось 72 % выбросов парниковых газов от транспорта [8]. Выбросы от легковых автомобилей (LDV), определяемые как сумма легковых автомобилей и легких коммерческих автомобилей (фургонов) [9], составляют 53 % выбросов ПГ от транспорта [8]. На легковые автомобили приходится 88 % легковых автомобилей (LDV), продаваемых в ЕС, а 12 % - это легкие коммерческие автомобили (фургоны) [10]. На легковые автомобили приходится 44 % выбросов парниковых газов от транспорта [8] и 81,3 % от пассажирского транспорта в Европе [11]. На легкие коммерческие автомобили приходится 9 % выбросов парниковых газов от транспорта [8]. На рисунке 1.1 эти статистические данные представлены графически [8].

ЕС продвигает использование биотоплива, в первую очередь из-за снижения выбросов парниковых газов, которое потенциально может предложить биотопливо [12]. Биотопливо может разнообразить предложение топлива для транспорта и является способом повышения самообеспеченности энергией, диверсификации производственных площадок и укрепления внутреннего сельского хозяйства стран ЕС. Наконец, во многих случаях оно подходят для использования в существующих силовых агрегатах и топливных инфраструктурах.

Рисунок 1.1 - Доля выбросов ПГ от транспорта в 2017 г. в странах ЕС [8]: а - от транспорта; б - от автомобильного транспорта

Чтобы способствовать достижению цели Парижского соглашения, Европейский совет принял в 2014 г. «Рамки климата и энергетики на период до 2030 г.» [13]. Эта основа соответствует ранее сформулированному «Пакту по климату и энергетике на 2020 год» и определяет новые цели на 2030 год. Согласно последнему обновлению от 2018 года, минимальные цели:

- снижение выбросов парниковых газов на 40 % по сравнению с уровнем 1990 года;

- 32% валового конечного потребления энергии, поставляемой за счет возобновляемых источников энергии (в 2018 году было 18,9 % [14]);

- повышение энергоэффективности на 32,5 %.

Что касается целевого показателя доли возобновляемых источников энергии, Директива 2018/2001/EC, известная как RED II, установила для транспортного сектора минимальную долю возобновляемых источников энергии в 14% (в 2018 году она составляла 8,3 % [14]). Дополнительный документ, Директива 2009/30/EC [15], известный как Директива о качестве топлива, установил на 2020 год, что выбросы парниковых газов в течение жизненного цикла на единицу энергии от поставленного топлива и энергии должны быть сокращены как минимум на 6 %. по сравнению с 2010 г. (в 2017 г. - 3,4 %)[16]. Директива о качестве топлива применяется к топливам, используемым в автомобильном транспорте и внедорожной мобильной технике [16]. Регламент 2019/631 устанавливает обязатель-

ные стандарты СО2 для новых LDV [17], что вынуждает производителей снижать средние коэффициенты выбросов CO 2 из выхлопной трубы для среднего парка автомобилей. Целевой показатель СО 2 для новых легковых автомобилей на 2021 год равен 95 г/км, а целевые значения на 2025 и 2030 годы составляют соответственно - 15 % и - 37,5 % от средних выбросов СО 2 для автопарка по сравнению со значениями, рассчитанными с помощью новых WLTP (всемирная согласованная процедура испытаний легковых автомобилей), начиная с данных, которые будут собраны в 2020 году (которые будут доступны в 2021 году). Целевой показатель СО2 на 2020 год для новых фургонов составляет 147 г / км, а целевые показатели для фургонов на 2025 и 2030 годы составляют соответственно - 15% и -31%. С 1992 года «евро» стандарты определяют пределы выбросов из выхлопной трубы для утверждения типа LDV, продаваемых в Европе. Целью евростандартов является постепенное снижение загрязнения дорожным движением. Также после недавнего скандала с «Dieselgate» новые LDV должны пройти две процедуры тестирования: ЯСЕ (реальные выбросы от вождения) и тесты WLTP [18].

Существует множество определений термина «биотопливо». Директива 2018/2001 / ЕС гласит, что «биотопливо означает жидкое топливо для транспорта, произведенное из биомассы» [19]. К биотопливу дополняют «топливо из биомассы», определяемое как «газообразное и твердое топливо, произведенное из биомассы». Еще одно определение, о котором стоит упомянуть, - это «биожидкость»: «жидкое топливо для энергетических целей, кроме транспорта, включая электричество, отопление и охлаждение, произведенное из биомассы» [19]. Наконец, Директива 2018/2001 определяет передовое биотопливо как биотопливо, произведенное из сырья, содержащегося в части А Приложения IX [19]. Усовершенствованное биотопливо - это топливо, не относящееся к биотопливу первого поколения, которое производится из несъедобного сырья, имеющего низкий риск косвенного изменения землепользования [20, 21]. Директива 2018/2001/ЕС устанавливает множество целей в отношении биотоплива. Выбор основных функций включает в себя. В рамках целевого показателя в 14% возобновляемых источников энергии на транспорте максимальная доля в 7% установлена для биотоплива,

биожидкостей и топлива из биомассы, используемого на автомобильном и железнодорожном транспорте и производимого из пищевых и кормовых культур. Эта цель направлена на ограничение чрезмерного расширения посевных площадей и конкуренции с цепочкой поставок продуктов питания. Остальные 7% могут быть достигнуты за счет передовых видов биотоплива, возобновляемой электроэнергии (например, аккумуляторных электромобилей), переработанного углеродного топлива и возобновляемых видов топлива небиологического происхождения (например, водорода и электротоплива).

Потребление транспортного биотоплива в ЕС. В результате законодательного толчка потребление биотоплива в 2017-2018 гг. усилилось (рисунок 1.2). Растущее использование иСО (использованного растительного масла), НУО (гид-роочищенное растительное масло) и животных жиров для производства биодизеля сокращает объем биотоплива, необходимый для достижения цели в области возобновляемых источников энергии [22].

Рисунок 1.2 - Тенденции потребления транспортного биотоплива в странах ЕС

(в тыс. т.н.э.) [22]

В 2017 году доля биотоплива в энергии автомобильного транспорта и внедорожной мобильной техники составила 4,5 % [16]. Как показано на рисунке 1.3, биодизель был доминирующим биотопливом (62,3 % от общего энергопотребления биотоплива), за ним следовали биоэтанол (17,5 %), HVO (16,6 %), улучшенный биогаз (1,7 %) и био-ETBE (1,1 %) [16].

16.6%

Hydrotreated 03 %

0.1% vegetable oil other

Blop«tro< hvo / 0.0%

1.1 % '

Bio-ETBE

Рисунок 1.3 - Доли поставок энергии из биотоплива в странах ЕС в 2017 году в автомобильный транспорт и внедорожную подвижную технику TAEE: трет-амилэтиловый эфир [16]

Так 99,5% биотоплива, потребленного в 2018 году европейским транспортным сектором, соответствовали критериям устойчивости, определенным RED, при этом Франция, Германия и Испания были тремя главными потребителями биотоплива и биодизеля, а Германия, Великобритания и Франция лидирует по потреблению биоэтанола. 87,6 об.% проданного бензина и 100 об.% проданного дизельного топлива были помечены как содержащие биотопливо (биоэтанол и FAME, соответственно) [16].

На рисунке 1.4 показаны смеси, которые доминировали на рынке в 2017 году. Следует отметить, что количество смеси (x) следует понимать как «с содержанием этого компонента до х%». Поэтому, например, дизельное топливо «В7» может также содержать 0% биодизеля, максимум до 7%.

Производство биотоплива в ЕС. В 2018 году в ЕС было произведено около 14,4 млрд литров биодизеля и HVO, 3,4 - импортировано и 0,7 - экспортировано [23]. Производство HVO составило около 2,8 млрд литров. Биодизель производился на 188 заводах по биопереработке, а HVO - на 12. В таблице 1.1 указаны производственные мощности основных европейских производителей FAME и HVO в 2018 году.

0.1 1574 Е

Рисунок 1.4 - Смеси биотоплива проданные в 2017 году в ЕС для автомобильного транспорта и внедорожной мобильной техники [16] в: а - бензине: E0 = бензин; E5 = бензин с содержанием биоэтанола до 5% об. / об .; E10 = бензин с содержанием биоэтанола до 10% об. / об .; E + = бензин с содержанием биоэтанола > 10% об. (Например, E85), б - дизельном топливе: B0 = дизельное топливо; B7 = дизельное топливо с содержанием биодизеля до 7% об. / об .; B + = дизельное топливо с содержанием биодизеля > 7 % об. / об.

Таблица 1.1 - Производственные мощности FAME и HVO по основным производителям в 2018 г. (в тоннах) [22]

Компания Страна Расположение заво- Производственная мощ-

Neste Финляндия Финляндия, Нидерланды

2 700 000

Аврил Франция Франция, Германия,

Италия, Австрия, Бельгия

1,552,000 а

Infinita Испания Испания

Испания

600 000

Verbio AG Германия Всего Группа Франция

Германия Франция Италия Италия

470 000

470 000

Eni

Италия

219000

Marseglia Италия Group (Итал Би Ойл)

200 000

Странами-производителями FAME были Германия, Испания, Франция, Нидерланды и Польша, а в Нидерландах. и Финляндия произвела наибольшее коли-

чество HVO. FAME, производимая внутри страны, сталкивается с конкуренцией со стороны HVO, производимой в ЕС, и импортных МСП из Аргентины и PME из Индонезии. В основном используемым сырьем для FAME и HVO было рапсовое масло (39 % от общей массы сырья), UCO (22 %) и пальмовое масло (19 %). Кроме того, соевые бобы, животные жиры, подсолнечное, сосновое/талловое масло и жирные кислоты. Большая часть рапсового масла производится внутри ЕС [23, 24, 25]. 90 % UCOME было произведено в Нидерландах, Германии, Великобритании, Португалии и Австрии.

1.2 Перспективы производства и применения метанола в качестве топлива

для двигателей внутреннего сгорания

Дизельные двигатели, вследствие особенностей протекания рабочего процесса в цилиндре, имеют способностью работать на топливах широкого фракционного состава. На сегодняшний день ведущие автопроизводители инвестируют значительные ресурсы в развитие технологий, способствующих применению различных альтернативных топлив в двигателях. К этому обязывают ужесточающиеся требования к выбросам токсичных компонентов с отработавшими газами двигателей, а также истощающиеся запасы нефти на Земле. Сегодня эти же тенденции становятся все более актуальными и для России [25, 26, 27, 28, 29].

Сегодня среди различных альтернативных видов топлива наиболее перспективными являются топлива, получаемые из природного газа и возобновляемых ресурсов [30, 31]. К ним в первую очередь относятся спирты (метанол, этанол), а также так называемые биотоплива. Крайне важным аргументом за применение топлив, получаемых из природного газа и биологического сырья, является существенно меньшее содержание токсичных компонентов в ОГ ДВС по сравнению с нефтяным топливом [32, 33].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Юрлов Анатолий Сергеевич, 2022 год

N 1. /

Г к \ 1 V -- - г

1 у "От,

1,

\ Л- ___ 4 ✓ • 1.

>< г

\ ^ > > ч N С ДТ 9 |1

У и —

Чу

0,90

0.85

и

4.0 ^тх- ^МЭРМ

3,0 От, кг/ч

2.0 10,0

9.0

8,0

П. 7.0

0,30 6.0

0,25 5,0

9.x 4.0

г/(кВтч) 3.0

500 2.0

400 1,0

0,0

0.1 0,2 0,3 0.4 0,5 0.6 р., МПа

Рисунок 4.9 - Влияние применения метанола и МЭРМ на эффективные показатели быстроходного дизеля 2Ч 10,5/12,0 в зависимости от изменения нагрузки при

п = 1800 мин

-1.

-дизельный процесс;----метанол и МЭРМ

Коэффициент наполнения (пУ) на минимальной нагрузке ре = 0,115 МПа при использовании метанола и МЭРМ составляет 0,9, также как и на дизельном топливе. При работе на номинальной нагрузке ре = 0,588 МПа при использовании в качестве топлива метанола и МЭРМ (пУ) составляет 0,87, а при работе на дизельном топливе (Пу) равен 0,86.

Сравнивая кривые эффективного КПД (пе), можно заметить, что при работе двигателя на метаноле и МЭРМ происходит смещение максимума пе вправо в сторону высоких нагрузок (рисунок 4.10, б).

При этом значение эффективного КПД при минимальной нагрузке ре = 0,115 МПа и работе на метаноле и МЭРМ ниже в сравнении с работой на ДТ и составляет пе = 0,12. На ДТ при той же нагрузке Пе = 0,18. При номинальной нагрузке ре = 0,588 МПа КПД, напротив, выше во время работы на альтернативных топливах и составляет пе = 0,33, в то время как на ДТ - пе = 0,32.

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 рс. МПа

а

0.1 02 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 ре. МПа

б

в

г

15

а; 10

и

н

О 5 0

- - -V 1ГМ о —дт

9---О- - —О- - —О — - —о- - <

1500

* |(юо я

^ 500

г ---Мсгшишштм о

N —лт

N О_Н

\ - « - - -©- -О

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 ре. МПа

0

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 рс. МПа

д е

Рисунок 4.10 - Влияние применения метанола и МЭРМ на коэффициент наполнения, эффективный КПД, коэффициент избытка воздуха, температуру отработавших газов, часовой расход топлива и удельный эффективный расход топлива быстроходного дизеля в зависимости от нагрузки на номинальном режиме

(п = 1800 мин-1):

а - коэффициент наполнения; б - эффективный КПД; в - коэффициент избытка воздуха; г - температура отработавших газов; д - часовой расход топлива; е

- удельный эффективный расход топлива

Применение метанола и МЭРМ приводит к снижению коэффициента избытка воздуха на низких нагрузках и некоторому росту его при высоких нагрузочных режимах работы дизеля (рисунок 4.10, в). При этом на минимальной нагрузке ре = 0,115 МПа коэффициент избытка воздуха снижается с а = 5,2 при работе на ДТ до а = 3,1 при переходе на альтернативные топлива. На номинальной нагрузке а, напротив, выше при работе на метиловом спирте и МЭРМ и составляет а = 1,7, против а = 1,6 при работе на ДТ, что на 6,25 % выше.

Применение метанола и МЭРМ также влияет на температуру ОГ (рисунок 4.10, г). При этом на низких нагрузках применение данных топлив приводит к росту температуры ОГ и при нагрузке ре = 0,115 МПа она составляет ^ = 250° С и 1г = 220 °С при работе на метаноле и МЭРМ и на ДТ соответственно. С ростом нагрузки применение метилового спирта и МЭРМ, напротив, приводит к снижению температуры ОГ по сравнению с работой на ДТ. На номинальной нагрузке 1г = 475 °С при работе на метиловом спирте и МЭРМ и ^ = 525 °С при работе на ДТ, что на 10,5 % ниже.

Суммарный расход метанола и МЭРМ значительно выше, чем расход ДТ на всех нагрузочных режимах работы дизеля. При этом на минимальной нагрузке (рисунок 4.9) (ре = 0,115 МПа) суммарный расход метанола и МЭРМ составляет 5,1 кг/ч, а расход ДТ при той же нагрузке равен 1,6 кг/ч. При росте нагрузки до номинальной (ре = 0,588 МПа) суммарный расход метанола и МЭРМ также выше, чем расход ДТ и составляет 9,15 кг/ч. В то время как при работе на ДТ расход топлива равен 4,9 кг/ч.

Часовой расход метанола (рисунок 4.10, д) на минимальной нагрузке ре = 0,115 МПа составляет 4,05 кг/ч и МЭРМ 1,05 кг/ч, на дизельном топливе расход равен 1,6 кг/ч. При работе на номинальной нагрузке ре = 0,588 МПа часовой расход метанола составляет 8,1 кг/ч, а МЭРМ - 1,05 кг/ч, а при работе на дизельном топливе он равен 4,9 кг/ч.

При этом стоит отметить, что такое увеличение расхода топлива при работе на метаноле и МЭРМ связано с тем, что данные альтернативные топлива обладают значительно меньшей низшей теплотой сгорания по сравнению с ДТ, поэтому их

необходимо подавать в большем количестве. Суммарный удельный эффективный расход топлива при работе двигателя на метиловом спирте и МЭРМ соответственно также выше, чем расход ДТ.

При этом на номинальном режиме удельный расход при работе на альтернативных топливах (рисунок 4.10, е) составляет = 490 г/(кВт-ч), в то время как расход ДТ соответственно равен §е = 260,6 г/(кВт-ч).

Если суммарный удельный эффективный расход топлива при использовании метанола и МЭРМ привести к теплотворной способности дизельного топлива для получения объективной картины сравнения расходов различных по теплотворной способности топлив, то при работе на номинальной нагрузке ре = 0,588 МПа при использовании в качестве топлива метанола и МЭРМ суммарный удельный расход составляет = 255,2 г/кВт-ч, а при работе на дизельном топливе равен §е = 260,6 г/кВт-ч, что на 2,11 % больше, чем при работе на альтернативных топливах.

4.3.2 Влияние применения метанола и МЭРМ на эффективные показатели

работы быстроходного дизеля в зависимости от частоты вращения

На рисунке 4.11 представлено влияние применения метанола и МЭРМ на эффективные показатели работы быстроходного дизеля в зависимости от частоты вращения в сравнении с работой на ДТ [190-233].

Более подробный анализ значений эффективных и экономических показателей двигателя, представленных на рисунке 4.11, освещен далее в работе по материалам рисунка 4.12, где представлено влияние применения метанола и МЭРМ на коэффициент наполнения, эффективный КПД, коэффициент избытка воздуха, температуру отработавших газов, часовой расход топлива, удельный эффективный расход топлива быстроходного дизеля в зависимости от частоты вращения.

При работе дизеля на метаноле и МЭРМ (рисунок 4.11) происходит незначительное увеличение расхода воздуха (Ов).

Ые, кВт 19,0 18,0 17,0 16,0 15,0 14,0 13,0 12,0 11,0 10.0

"В"

кг/ч 130

120

110

100

90

80

°С

600

500

400

300

г/(кВт ч) 500 450

п

С в— •

N

е у

а

"17 М К

// /

Г / —

С 'Т1 Пв

<

/ /" -

__ п. 9« II

'-Л ДТ ** —

г- Я *

РМ

- вид

Пу

0,90 0,80

а 2,0 1,0

МК,Н м

90

80

Пе

0,35 0,30

9в> г/(кВт ч)

280

260

1200 1400 1600 1800 2000 п. мин

-1

От, кг/ч 10,0 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0

Рисунок 4.11 - Влияние применения метанола и МЭРМ на эффективные показатели работы быстроходного дизеля 2Ч 10,5/12,0 в зависимости от частоты вращения: -дизельный процесс;----метанол и МЭРМ

При этом наибольший рост расхода наблюдается при минимальной частоте п = 1200 мин-1 и составляет 3,8 % по сравнению с дизельным процессом. С ростом частоты вращения величина ОВ при работе на метаноле и МЭРМ практически не отличается от дизельного процесса и составляет 126,5 кг/ч, в то время как при работе на ДТ ОВ = 127,0 кг/ч.

Пропорционально расходу воздуха увеличивается также коэффициент наполнения цилиндра. На рисунке 4.12, а значение коэффициента наполнения (пУ) на минимальной частоте вращения п = 1200 мин-1 при работе на ДТ составляет Пу = 0,90, а при использовании в качестве топлива метанола и МЭРМ - пу = 0,93, увеличение составляет 3,3 %. На частоте максимального крутящего момента п = 1400 мин-1 и работе на дизельном топливе пу = 0,9, а при использовании в качестве топлива метанола и МЭРМ уже пу = 0,91.

а

1200 1400 1600 1800 2000

П, МИН-1

в

12Ю 14(11 НЮ ШЮ 17М1 110) >ЯЮ 2П0И

я. «■»*!

Я

и

о

+ -О

600

500

400 о

300

1200 1400 1600 1800 2000 п, мин-1

600 500

"О-_______* "*

*

ь

400

--—^

- - -МлашхМИ'М О

I—дт

I о

2001 1200 1400

1600 1800 2000 п, мин-1

д е

Рисунок 4.12 - Влияние применения метанола и МЭРМ на коэффициент наполнения, эффективный КПД, коэффициент избытка воздуха, температуру отработавших газов, часовой и удельный эффективный расходы топлива быстроходного дизеля в зависимости от частоты вращения: а - коэффициент наполнения; б - эффективный КПД;

в - коэффициент избытка воздуха; г - температура отработавших газов; д - часовой расход топлива; е - удельный эффективный расход топлива

I

При работе на номинальной частоте вращения п = 1800 мин-1 на дизельном топливе = 0,86, а при использовании в качестве топлива метанола и МЭРМ Пу = 0,87. На максимальной частоте вращения п = 2000 мин-1 при работе на дизельном топливе = 0,86, что совпадает с Пу при использовании метанола и МЭРМ. Улучшение наполняемости цилиндра при работе дизеля на альтернативных топливах обусловлено снижением температуры остаточных газов в цилиндре, что подтверждается кривой температуры ОГ (^), которая при работе дизеля на метаноле и МЭРМ всюду ниже, чем при работе на ДТ.

На рисунке 4.12, б показано изменение эффективного КПД (пД При рассмотрении скоростной характеристики дизеля можно отметить рост эффективного КПД при работе на метаноле и МЭРМ на всем диапазоне изменения частот вращения. При этом максимум КПД при работе двигателя на ДТ наблюдается при частоте вращения, близкой к номинальной, и составляет 0,32. При работе на метаноле и МЭРМ пик максимального значения пе сдвигается влево, достигается в районе частоты 1400 мин-1 и составляет п = 0,34.

Такое увеличение эффективного КПД на всех скоростных режимах работы дизеля обусловлено содержанием большого количества кислорода в молекуле метанола и метилового эфира, который способствует более полному сгоранию топлива в цилиндре дизеля. Так при работе на п = 1200 мин-1 на дизельном топливе п = 0,28, а при использовании в качестве топлива метанола и МЭРМ п = 0,30, увеличение составляет 7,1 %.

На частоте максимального крутящего момента п = 1400 мин-1 на дизельном топливе п = 0,31, а при использовании в качестве топлива метанола и МЭРМ П = 0,34, увеличение составляет 9,7 %. При работе на номинальной частоте вращения п = 1800 мин-1 на ДТ п = 0,32, а при использовании в качестве топлива метанола и МЭРМ п = 0,33, увеличение составляет 3,1 %. На максимальной частоте вращения п = 2000 мин-1 и работе на ДТ п = 0,31, а при использовании в качестве топлива метанола и МЭРМ п = 0,32.

Применение метанола и МЭРМ приводит к увеличению коэффициента избытка воздуха практически во всем диапазоне частот вращения (рисунок 4.12, в).

При этом на частоте вращения п = 1200 мин-1 на дизельном топливе и метаноле и МЭРМ а = 2,25.

При этом на частоте вращения п = 1800 мин-1 на дизельном топливе а = 1,6, а на метаноле и МЭРМ а = 1,7, что на 6,25 % выше, чем при работе на ДТ.

С использованием метанола и МЭРМ также наблюдается снижение температуры ОГ на всех скоростных режимах работы дизеля. На рисунке 4.12, г показано изменение температуры отработавших газов (^). Таким образом, при п = 1200 мин-1 температура ОГ снижается от ^ = 400° С при работе на ДТ до ^ = 325° С при переходе на метанол и МЭРМ. При работе на номинальной частоте вращения п = 1800 мин-1 на дизельном топливе ^ = 525°С, а при использовании в качестве топлива метанола и МЭРМ ^ = 475°С, снижение составляет 9,52 %. С ростом частоты вращения до максимальной п = 2000 мин-1 при работе на альтернативных топливах снижение температуры ОГ составляет 80° С.

Суммарный расход метанола и МЭРМ значительно выше, чем расход ДТ на всех скоростных режимах работы дизеля. При этом на минимальной частоте вращения при п = 1200 мин-1 (рисунок 4.11) суммарный часовой расход метанола и МЭРМ составляет 5,8 кг/ч, а расход ДТ при той же нагрузке равен 3,2 кг/ч. При росте частоты до номинальной (п = 1800 мин-1) суммарный расход метанола и МЭРМ также выше, чем расход ДТ и составляет 9,15 кг/ч. В то время как при работе на ДТ расход топлива равен 4,9 кг/ч.

С ростом частоты вращения, до максимальной, суммарный расход метанола и МЭРМ составляет 10,0 кг/ч, против 5.2 кг/ч при работе на ДТ.

На рисунке 4.12, д показано изменение часового расхода топлива (От). На минимальной частоте вращения п = 1200 мин-1 при работе на дизельном топливе От = 3,2 кг/ч, а при использовании в качестве топлива метанола Gт = 5,1 кг/ч и МЭРМ Gт = 0,7 кг/ч (XGт = 5,1 кг/ч+0,7 кг/ч=5,8 кг/ч). На частоте максимального крутящего момента п = 1400 мин-1 на дизельном топливе От = 3,9 кг/ч, а при использовании в качестве топлива метанола Gт = 6,18 кг/ч и МЭРМ Gт = 0,82 кг/ч (XGт = 6,18 кг/ч+0,82 кг/ч=7,0 кг/ч). При работе на номинальной частоте вращения п = 1800 мин-1 на дизельном топливе От = 4,9 кг/ч, а при использовании в ка-

честве топлива метанола Gт = 8,1 кг/ч и МЭРМ Ст = 1,05 кг/ч

= 8,1 кг/ч+1,05 кг/ч = 9,15 кг/ч).

Увеличение расхода топлива при работе дизеля на метаноле и МЭРМ связано с тем, что данные альтернативные топлива обладают значительно меньшей низшей теплотой сгорания по сравнению с ДТ, поэтому их необходимо подавать в большем количестве.

На рисунке 4.12, е показано изменение удельного эффективного расхода топлива в зависимости от частоты вращения. Так удельный эффективный расход топлива на минимальной частоте вращения п = 1200 мин-1 при работе на дизельном топливе ge = 300,0 г/кВт*ч, а при использовании в качестве топлива метанола и МЭРМ ge = 555,0 г/кВт*ч. На частоте максимального крутящего момента п = 1400 мин-1 на дизельном топливе ge = 270,0 г/кВт*ч, а при использовании в качестве топлива метанола и МЭРМ ge = 495,0 г/кВт*ч. При работе на номинальной частоте вращения п = 1800 мин-1 на дизельном топливе ge = 260,6 г/кВт*ч, а при использовании в качестве топлива метанола и МЭРМ ge = 490,0 г/кВт*ч.

Такое увеличение суммарного удельного расхода метанола и МЭРМ по отношению к ДТ обусловлено их значительно меньшей теплотворной способностью.

5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТАНОЛА И МЭРМ НА ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ БЫСТРОХОДНОГО

ДИЗЕЛЯ

5.1 Влияние применения метанола и МЭРМ на основные экологические показатели при работе быстроходного дизеля в зависимости от нагрузки

на номинальном скоростном режиме

При проведении стендовых испытаний исследовалось влияние применения метанола и МЭРМ на основные экологические показатели при работе быстроходного дизеля 2Ч 10,5/12,0 в зависимости от нагрузки на номинальном скоростном режиме [186-233].

На рисунке 5.1 представлены графики влияния применения метанола и МЭРМ на основные экологические показатели дизеля 2Ч 10,5/12,0 в зависимости от изменения нагрузки, полученные на номинальной частоте (п = 1800 мин - 1). Анализ данных изменения значений токсичных компонентов при работе двигателя на альтернативных топливах позволяет сделать следующие выводы.

Происходит значительное снижение выбросов оксидов азота практически на всем диапазоне изменения нагрузок при работе на метаноле и МЭРМ по сравнению работой на ДТ. Так, если на ДТ на минимальной нагрузке выбросы N0 х составляют 270 ррт, то переходя на метанол и МЭРМ данные выбросы составляют только 120 ррт, т.е. снижаются на 55,5 %. С ростом нагрузки до номинальной содержание оксидов азота в ОГ снижается по сравнению с дизельным процессом на 280 ррт или на 38,4 %.

Наблюдается значительное снижение содержания сажи в ОГ дизеля при работе на метаноле и МЭРМ на всех нагрузочных режимах работы дизеля. При этом наибольший эффект от снижения выбросов сажи наблюдается в районе номинальной нагрузки (ре = 0,588 МПа). Так если на минимальной нагрузке при работе на метаноле и МЭРМ выбросы сажи снижаются на 0,2 ед. ьобси, или на 50,0 % по отно-

шению к дизельному процессу, то при работе на номинальном режиме, выбросы сажи снижаются на 92,4 % или в 13,25 раза.

Из рассмотрения кривых содержания суммарных углеводородов в ОГ можно видеть, что при работе на ДТ с увеличение нагрузки выбросы СНх возрастают. В то время как при работе на альтернативных топливах, напротив, снижаются на всём диапазоне изменения нагрузки. При этом на низких нагрузочных режимах применение метанола и МЭРМ приводит к увеличению выбросов суммарных углеводородов и на минимальной нагрузке (ре = 0,115 МПа) выбросы СНх увеличиваются в 9 раз по сравнению с работой на ДТ. Затем содержание СНх во время работы на метаноле и МЭРМ с ростом нагрузки снижается и при ре = 0,588 МПа практически совпадает с дизельным процессом и составляет 0,16 %.

N0,. ррт 800 600 400 200

С02. % Ю.О 8,0 6,0 4,0

С, ед Bosch 6,0 4,0 2.0

МЛ

/

f

** / ✓

ч N к —— - -

СН

ч —• "к»

»• — — — — - — —

со 2

- С< Э /

- -- __ / V ^ У /

с /

/ t

t.ss.j _ _ / **

0.1 0,2 0,3 0,4 0,5

СН, % 0,6 0.4

0,2

СО.% 0,8 0,6 0,4 0,2

6 рв, МПа

Рисунок 5.1 - Влияние применения метанола и МЭРМ на основные экологические показатели быстроходного дизеля 2Ч 10,5/12,0 в зависимости от изменения нагрузки при п = 1800 мин-1: -дизельный процесс;----метанол и МЭРМ

Также из рисунка 5.1 можно видеть, что графики изменения содержания СО ведут себя аналогичным образом. При этом на минимальной нагрузке применение метанола и МЭРМ приводит к увеличению выбросов С0 в 6,8 раза. При увеличении нагрузки свыше ре = 0,47 МПа содержание угарного газа ниже при работе на альтернативных топливах и на номинальном режиме снижение выбросов С0 достигает 45,3 %.

Такое поведение кривых СНх и СО объясняется ухудшением полноты сгорания метанола на низких нагрузочных режимах работы дизеля, т.к. данные компоненты являются продуктами неполного сгорания топлива. Это происходит из-за переобеднения смеси на низких нагрузках (при малых цикловых порциях подачи метанола), что приводит к снижению скорости распространения фронта пламени и неполному сгоранию спирта.

Выбросы СО2 при изменении нагрузки практически не зависят от вида топлива и изменяется по схожей зависимости. При этом во время работы дизеля на метаноле и МЭРМ содержание СО2 в ОГ несколько выше, в сравнении с дизельным процессом на всех нагрузочных режимах.

Более подробный анализ значений экологических показателей двигателя, представленных на рисунке 5.1, освещен ниже по материалам рисунка 5.2, где представлено влияние применения метанола и МЭРМ на содержание углеводородов, диоксида углерода, оксидов азота и оксида углерода в ОГ быстроходного дизеля 2Ч 10,5/12,0 в зависимости от нагрузки на номинальном скоростном режиме (п = 1800 мин-1).

При проведении анализа выбросов углеводородов (СНх) с ОГ (рисунок 5.2, а), при работе двигателя на ДТ при увеличении нагрузки, видно, что содержание углеводородов плавно возрастает. Так на минимальном нагрузочном режиме работы (ре = 0,115 МПа) содержание СНх в ОГ дизеля составляет 0,06 %, а при средней нагрузке (ре = 0,346 МПа) уже 0,07 %, на номинальном нагрузочном режиме (ре = 0,588 МПа) - составляет 0,16 %. При максимальных значениях нагрузки (ре = 0,692 МПа) содержание СНх в ОГ дизеля возрастает до 0,25 %. При работе дизеля на метаноле и МЭРМ на низких нагрузках замечается значительный рост

содержания СНх в отработавших газах при использовании альтернативных видов топлива, в отличии от работы на ДТ.

Так на минимальном нагрузочном режиме работы (ре = 0,115 МПа) содержание СНх в ОГ составляет 0,55 %, что больше в 9 раз, чем при работе на ДТ.

а

б

1000

800

с_ 600

*

4(Ю

2

200

0

---Mcimu.hi М Н'Ч О О О - - - " " /

- -<Г - ■ <У

02 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 ре. МПа

в

г

Рисунок 5.2 - Влияние применения метанола и МЭРМ на содержание углеводородов, диоксида углерода, оксидов азота и оксида углерода в ОГ быстроходного дизеля в зависимости от нагрузки на номинальном скоростном режиме

(п = 1800 мин-1):

а - углеводороды; б - диоксид углерода; в - оксиды азота; г - оксид углерода

При дальнейшем увеличении нагрузки содержание СНх резко снижается и при (ре = 0,346 МПа) составляет уже 0,19 %, что больше только в 2,7 раза. На номинальном нагрузочном режиме (ре = 0,588 МПа) содержание СНх в ОГ составляет 0,16 % и практически совпадает с кривой СНх при работе на ДТ. При макси-

мальных значениях нагрузки (ре = 0,692 МПа) содержание СНх несколько возрастает до 0,17 %, что все равно ниже содержания при работе на ДТ в 1,47 раза.

Такое изменение содержания углеводородов в ОГ дизеля можно объяснить следующим образом. Непредельные углеводороды в цилиндре дизеля при работе на метаноле и МЭРМ образуются в зонах срыва пламени: в ядре и хвосте струй топлива, впрыскиваемого через обе форсунки в камеру сгорания, на топливной пленке на стенках камеры сгорания и в результате вторичного впрыскивания топлива, выходящего из сопел топливных форсунок с низкой скоростью, в конце сгорания.

Добавление метилового спирта в цилиндры дизеля вызывает смешанные эффекты, с одной стороны, он может увеличить содержание кислорода в топливо-воздушных смесях, что приведет к лучшему сгоранию и, как следствие, к уменьшению выбросов СН х, а с другой стороны, его высокая скрытая теплота испарения и последующий охлаждающий эффект в камере сгорания может привести к увеличению выбросов СН х.

Высокое содержание СН х в ОГ при работе на метаноле и МЭРМ на малых нагрузках объясняется более высокой вязкостью МЭРМ, что приводит к плохому распыливанию топлива, менее эффективному смешиванию метаноловоздушной смеси и смеси из МЭРМ и воздуха в камере сгорания.

Возможным объяснением снижения содержания СН х в ОГ при увеличении нагрузки могут быть также более высокие значения температуры газа в цилиндре и ОГ при более высоких нагрузках двигателя, что приводит к более полному сгоранию и, как следствие, к уменьшению образования несгоревшего СН х. Преобладающей точкой зрения является то, что выбросы СН х пропорционально снижаются в результате увеличения количества метанола подаваемого в цилиндр.

При более высоких нагрузках, выше номинальных, более высокая температура в цилиндре дизеля и ОГ газах при наличии меньшего количества кислорода приводит к незначительному увеличению СН х.

При дальнейшем изучении нагрузочной характеристики дизеля по изменению содержания выбросов углекислого газа (СО 2) с ОГ (рисунок 5,2, б) можно

отметить рост выбросов СО 2 при работе на ДТ при увеличении нагрузки, при этом видно, что содержание диоксида углерода резко возрастает. Так на минимальном нагрузочном режиме работы (ре = 0,115 МПа) содержание СО 2 составляет 2,6 %, а при средней нагрузке (ре = 0,346 МПа) уже 5,3 %, а на номинальном нагрузочном режиме (ре = 0,588 МПа) - составляет 7,8 %. При максимальных значениях нагрузки (ре = 0,692 МПа) содержание СО 2 возрастает до 9,0 %.

При использовании метанола и МЭРМ в дизеле содержание СО 2 в ОГ на всех нагрузочных режимах работы дизеля несущественно выше, чем при работе на ДТ. Так на минимальном нагрузочном режиме работы (ре = 0,115 МПа) содержание СО 2 в ОГ составляет 3,2 %, увеличение составляет 18,75 %, по сравнению с работой на ДТ. При нагрузке (ре = 0,346 МПа) СО 2 составляет уже 6,0 %, увеличение составляет 11,6 %. На номинальном нагрузочном режиме (ре = 0,588 МПа) содержание СО 2 в ОГ составляет 8,4 % т.е. увеличение составляет 7,14 %. При максимальных значениях нагрузки (ре = 0,692 МПа) содержание СО 2 составляет 9,4 %, что все равно выше содержания при работе на ДТ на 4,25 %.

Это объясняется тем, что в основном выбросы диоксида углерода (СО 2) в отработавших газах дизелей связаны с процессом полного сгорания топлива. Многие факторы играют роль в достижении полного сгорания и, следовательно, в образовании СО 2, особенно состав и свойства топлива, в нашем случае метанол и МЭРМ, которые имеют существенные отличия от ДТ (химический состав, вязкость и плотность), соотношение воздух-топливо и т. д. Это приводит к более эффективному сгоранию, достигнутому при использовании метанола и МЭРМ и повышении выбросов СО 2 с ОГ, поскольку оксигенированный характер метанола и МЭРМ и более высокое содержание кислорода в них и полученный в результате дополнительный кислород для горения, используемый при сгорании в камере сгорания, являются безусловной причиной улучшенного их сгорания и повышенных выбросов СО 2 с ОГ дизеля.

Увеличение нагрузки на двигатель приводит также к более полному сгоранию и увеличению выбросов СО 2. Это объясняется тем, что при высоких нагрузках имеет место более высокое соотношение топливо / воздух, что может потен-

циально привести к низкому содержанию кислорода в камере сгорания, изменению баланса в пользу выбросов СО или другими словами изменения за счет выбросов СО 2.

При исследовании графиков изменения содержания оксидов азота (N0 х) на нагрузочной характеристике дизеля можно заметить значительное уменьшение выбросов при применении альтернативных видов топлив по сравнению с работой на ДТ почти на всех нагрузочных режимах работы двигателя (рисунок 5.2, в).

При анализе кривой выбросов оксидов азота с ОГ при работе дизеля на ДТ и увеличении нагрузки наблюдается плавный рост выбросов N0 х. Так на минимальном нагрузочном режиме работы (ре = 0,115 МПа) содержание N0 х составляет 270 ррт, а при средней нагрузке (ре = 0,346 МПа) уже составляет 550 ррт, а на номинальном нагрузочном режиме (ре = 0,588 МПа) составляет 780 ррт. При максимальных значениях нагрузки (ре = 0,692 МПа) содержание N0 х возрастает до 790 ррт.

А при применении метанола и МЭРМ происходит снижение выбросов (N0 х) в ОГ дизеля на низких нагрузках (ре = 0,115 МПа) до 120 ррт, снижение при этом составляет в 2,25 раза. На средней нагрузке (ре = 0,346 МПа) значение N0 х в ОГ уже составляет 220 ррт. На номинальном нагрузочном режиме (ре = 0,588 МПа) уменьшение выбросов N0 х при работе дизеля на метаноле и МЭРМ составляет 450 ррт. Уменьшение выбросов оксидов азота в отработавших газах составляет 42,3 % по сравнению с работой на ДТ.

Снижение содержания N0 х в ОГ дизеля при работе на альтернативных топ-ливах объясняется более компактной стехиометрией горения и, как следствие, более низкой температурой цикла в области почти всего диапазона нагрузок. Более высокие нагрузки на двигатель сопровождаются впрыском большего количества топлива т.е., более богатыми топливными смесями. Это, в свою очередь, приводит к более высокой температуре в камере сгорания и, следовательно, к увеличению термического образования N0 х .

На рисунке 5.2, г представлено влияние применения метанола и МЭРМ на содержание оксида углерода (СО) в ОГ быстроходного дизеля в зависимости от

нагрузки на номинальном скоростном режиме (п = 1800 мин-1). С увеличением нагрузки и работе на ДТ увеличивается рост СО в во всем диапазоне нагрузок. Так на минимальном нагрузочном режиме работы (ре = 0,115 МПа) содержание СО в ОГ дизеля составляет 0,05 %, при нагрузке (ре = 0,346 МПа) уже 0,095 %, а на номинальном нагрузочном режиме (ре = 0,588 МПа) - составляет 0,32 %. При максимальных значениях нагрузки (ре = 0,692 МПа) содержание СО возрастает до 0,88 %.

При работе дизеля на метаноле и МЭРМ на малых нагрузочных режимах содержание СО в ОГ дизеля выше, чем при работе дизеля на ДТ, но с ростом нагрузки близкой к номинальной (ре = 0,46 МПа), наблюдается снижение СО по сравнению с дизельным процессом. Так, на минимальной нагрузке (ре = 0,115 МПа) значение СО составляет 0,34 %. Увеличение составляет более чем в 6 раз. При нагрузке (ре = 0,346 МПа) СО в ОГ дизеля составляет уже 0,2 %, увеличение составляет более 2 раз. На номинальной нагрузке (ре = 0,588 МПа) при работе дизеля на альтернативных топливах происходит снижение СО до 0,175 %, таким образом, снижение СО при ре = 0,588 МПа составляет 45,3 %. На максимальной нагрузке (ре = 0,692 МПа) СО в ОГ равно 0,49 %, снижение составляет 1,8 раза.

Изменение (СО) в сторону увеличения процентного содержания при работе на альтернативных топливах, происходит вследствие ухудшения полноты сгорания метанола на низких нагрузках работы дизеля, т.к. СО являются продуктами неполного сгорания топлива. Это происходит из-за переобеднения смеси на низких нагрузочных режимах (при малых цикловых порциях подачи метанола). Что приводит к снижению скорости распространения фронта пламени и неполному сгоранию метанола. При этом наблюдается отсутствие кислорода во время сгорания в результате снижения значений нагрузки поскольку снижается соотношения воздух-топливо в ответ на увеличение нагрузки.

Влияние оказывает также то, что в дополнение к очень высокой вязкости исследуемого МЭРМ поверхностное натяжение и температура кипения топлива были выше желаемого, что способствует увеличению зарегистрированных выбросов С0. Также это объясняется отсутствием кислорода во время сгорания в ре-

зультате снижения значений нагрузки, высоким соотношением топливо / воздух и низкой концентрацией кислорода, что является одной из основных причин увеличения выбросов СО.

Помимо отличий в физических свойствах альтернативных топлив, упомянутых выше, влияют химические отличия, такие как длина цепи и степень ненасыщенности метиловых эфиров, которые также могут приводить к различным значениям выбросов СО. Это можно объяснить тем, что молекулы жирных кислот с длинной цепочкой имеют более высокую температуру кипения или, другими словами, более низкую волатильность. Это, в свою очередь, приведет к снижению скорости испарения и, как следствие, к неполному сгоранию и увеличению выбросов СО. Более высокие значения нагрузки связаны с уменьшением выбросов СО. При переходе от низкой нагрузки к полной нагрузке повышается температура в цилиндре, что в свою очередь приводит к лучшему сгоранию и уменьшению выбросов СО.

5.2 Влияние применения метанола и МЭРМ на основные экологические показатели при работе быстроходного дизеля в зависимости от частоты вращения

На рисунке 5.3 представлено влияние применения метанола и МЭРМ на основные экологические показатели при работе быстроходного дизеля в зависимости от частоты вращения [190-233].

Как видно из графиков с ростом частоты вращения происходит увеличение выбросов почти всех токсичных компонентов, за исключением оксидов азота. При этом у двигателя, работающего на метиловом спирте и МЭРМ можно наблюдать снижение выбросов NOx в сравнении с дизельным процессом на всем исследуемом диапазоне изменения частот. Так же можно видеть, что с ростом частоты вращения снижение выбросов оксидов азота становится более существенным. Так если на минимальной частоте п = 1200 мин-1 содержание NOx в ОГ при работе на альтернативных топливах

практически совпадает с дизельным процессом, то при росте частоты до максимальной п = 2000 мин-1 выбросы N0, снижаются на 450 ррт или 64,3 %.

Такое снижение выбросов N0, с ростом частоты вращения при работе на метаноле и МЭРМ может объясняться уменьшением максимального давления газов в цилиндре с увеличением оборотов коленчатого вала дизеля, а также особенностью химического состава метанола и химизма его горения.

N0, рргп 800 600 400 С02, %

10,0 8,0 6,0 4,0

2,0

СО. % 0,2 0,1

N0,

с —1 и »» V.

—• —

I — 1— —

__— я С02

\ С

№ —* —

4 со

--

1

СИ, % 0,3 0,2 0,1

С,ед. ВоэсЬ

4,0

2,0

1200 1400 1600 1800 2000 п, мин

-1

Рисунок 5.3 - Влияние применения метанола и МЭРМ на основные экологические показатели при работе быстроходного дизеля 2Ч 10,5/12,0 в зависимости от частоты вращения:-дизельный процесс;----метанол и МЭРМ

На всех скоростных режимах работы двигателя наблюдается значительное снижение выбросов сажи с ОГ при работе на метаноле и МЭРМ. При этом с ростом частоты вращения от п =1200 мин-1 до п = 2000 мин-1 содержания сажи в ОГ снижается от 19 раз до 8,3 раза соответственно.

Содержание СНх в ОГ дизеля при работе на метаноле и МЭРМ незначительно отличается от работы на ДТ. Максимальная разница достигается при частоте враще-

ния п = 2000 мин-1, где происходит увеличение выбросов суммарных углеводородов на 41,7 % в сравнении с дизельным процессом.

Также наблюдается снижение выбросов СО при применении данных альтернативных топлив на всем диапазоне изменения частот в среднем в 2 раза.

Применение метанола и МЭРМ оказывает существенного влияния на содержание СО2 в ОГ двигателя. Однако стоит отметить незначительное увеличение выбросов СО2 при работе на данных топливах при всех исследуемых частотах вращения в среднем на 5 % в сравнении с дизельным процессом.

Более подробный анализ значений экологических показателей двигателя, представленных на рисунке 5.3, освещен ниже по материалам рисунка 5.4, где представлено влияние применения метанола и МЭРМ на содержание углеводородов, диоксида углерода, оксиды азота и оксида углерода в ОГ быстроходного дизеля в зависимости от частоты вращения.

На рисунке 5.4, а показано влияние применения метанола и МЭРМ на содержание углеводородов (СНх) в ОГ быстроходного дизеля в зависимости от частоты вращения. Содержание углеводородов в ОГ дизеля на минимальной частоте вращения п = 1200 мин-1 при работе на дизельном топливе составляет 0,145 %. На частоте максимального крутящего момента п = 1400 мин-1 и работе на дизельном топливе содержание углеводородов в ОГ составляет 0,14 %. При работе на дизельном топливе и на номинальной частоте вращения п = 1800 мин- 1 содержание СНх составляет 0,12 %.

На максимальной частоте вращения п = 2000 мин-1 и работе на дизельном топливе содержание СНх в ОГ дизеля составляет 0,12 %. Содержание выбросов углеводородов (СНх) в ОГ дизеля при использовании метанола и МЭРМ отличается. Стоит заметить, что наблюдается рост выбросов СНх по сравнению с ДТ.

Так, на минимальной частоте вращения п = 1200 мин-1 выбросы СНх в ОГ составляют 0,11 %, снижение составляет 31,8 %. На частоте максимального крутящего момента п = 1400 мин-1 содержание СНх в ОГ составляет 0,14 %. При работе на номинальной частоте вращения п = 1800 мин-1 содержание СНх в ОГ составляет 0,16 %, увеличение составляет 33,3 %. На максимальной частоте враще-

ния п = 2000 мин-1 содержание СНх в ОГ составляет 0,17 %, увеличение составляет 41,6 %.

а

б

в г

Рисунок 5.4 - Влияние применения метанола и МЭРМ на содержание углеводородов, диоксида углерода, оксидов азота и оксида углерода в ОГ быстроходного

дизеля в зависимости от частоты вращения: а - углеводороды; б - диоксид углерода; в - оксиды азота; г - оксид углерода

Увеличение частоты вращения двигателя при работе на альтернативных топливах приводит к ряду воздействий, которые в конечном итоге увеличивают выбросы СН х в ОГ при частоте вращения коленчатого вала более п = 1400 мин-1. Повышенная частота вращения двигателя приводит к сокращению продолжительности цикла двигателя, а также сокращению продолжительности сгорания, ухудшению процесса окисления впрыскиваемого топлива (т.е. неполному или частичному окислению). При увеличении частоты вращения двигателя ожидается сокращение продолжительности рабочего цикла двигателя и, соответственно, со-

кращение продолжительности горения, что, в свою очередь, может привести к ухудшению процесса окисления впрыскиваемого топлива и, следовательно, увеличению выбросов СН х.

На рисунке 5.4, б показано влияние применения метанола и МЭРМ на содержание диоксида углерода (С02) в ОГ быстроходного дизеля в зависимости от частоты вращения. Содержание диоксида углерода в ОГ дизеля на минимальной частоте вращения п = 1200 мин-1 при работе на дизельном топливе составляет 7,3 %. На частоте максимального крутящего момента п = 1400 мин-1 и работе на дизельном топливе содержание СО2 в ОГ составляет 7,7 %. При работе на номинальной частоте вращения п = 1800 мин-1 и работе на дизельном топливе содержание СО2 в ОГ составляет 8,0 %. На максимальной частоте вращения п = 2000 мин-1 на дизельном топливе содержание СО2 в ОГ составляет 7,8 %. Проводя сравнительный анализ выбросов диоксида углерода (СО2) при использовании в качестве топлива метанола и МЭРМ можно заметить, что происходит увеличение выбросов СО2 на всех скоростных режимах работы.

Так, на минимальной частоте вращения п = 1200 мин-1 при работе на метаноле и МЭРМ составляет 7,5 %, увеличение составляет 2,73 %. На частоте максимального крутящего момента п = 1400 мин-1 содержание СО2 в ОГ дизеля составляет 8,0 %, увеличение составляет 3,9 %. При работе на номинальной частоте вращения п = 1800 мин-1 содержание СО2 в ОГ дизеля составляет 8,4 %, увеличение составляет 5,0 %. На максимальной частоте вращения п = 2000 мин-1 содержание СО2 в ОГ дизеля при работе на метаноле и МЭРМ составляет 8,2 %, увеличение составляет 5,12 %.

По результатам эксперимента можно отметить, что влияние частоты вращения двигателя навыбросы СО 2 при работе на альтернативных топливах имеет отрицательную корреляцию.

Такие результаты объясняются увеличенными соотношениями воздух/топливо, полученными в результате увеличения частоты вращения двигателя, что, в свою очередь, улучшило процесс смешивания топлива и воздуха в цилиндре. Более эффективное смешивание с воздуха с топливом приводит к повыше-

нию температуры газа в камере сгорания и, следовательно, к более высоким коэффициентам конверсии выбросов СО в выбросы СО 2.

При сгорании дизельного топлива наблюдается более низкий уровень выбросов СО 2 с ОГ по сравнению с альтернативными топливами. Это можно объяснить тем, что при более высоких частотах вращения продолжительность сгорания уменьшается, что позволяет сократить время окисления топлива, в то время как окисленные топлива, такие как метанол и МЭРМ, благодаря их захваченным молекулам кислорода, будут иметь больше шансов быть более полностью окисленными в период позднего диффузионного сгорания.

На рисунке 5.4, в показано влияние применения метанола и МЭРМ на содержание оксидов азота в ОГ быстроходного дизеля в зависимости от частоты вращения. Содержание оксидов азота в ОГ дизеля на минимальной частоте вращения п = 1200 мин-1 при работе на дизельном топливе составляет 840 ррт, такое же значение оксидов азота в ОГ и при использовании в качестве топлива метанола и МЭРМ. На частоте максимального крутящего момента п = 1400 мин-1 на дизельном топливе составляет 790 ррт, а при использовании в качестве топлива метанола и МЭРМ составляет 740 ррт, снижение составляет 6,32 %. При работе на номинальной частоте вращения п = 1800 мин-1 на дизельном топливе составляет 730 ррт, а при использовании в качестве топлива метанола и МЭРМ составляет 450 ррт, снижение составляет 38,35 % или в 1,62 раза. На максимальной частоте вращения п = 2000 мин-1 наблюдается существенное снижение выбросов оксидов азота, на дизельном топливе составляет 700 ррт, а при использовании в качестве топлива метанола и МЭРМ составляет 250 ррт, снижение составляет 64,5 % или в 2,8 раза.

При увеличении частоты вращения двигателя снижается время реакции каждого цикла и, как следствие, сокращается время пребывания воздушно-топливной смеси при повышенных температурах, что приводит к снижению выбросов N0 х с ОГ при работе на альтернативных топливах. Чем выше частота вращения, тем меньше выбросов N0 х с ОГ дизеля. Заметное снижение выбросов оксидов азота (N0,) при работе дизеля на метаноле с запальным МЭРМ по срав-

нению с дизельным процессом, объясняется также существенным снижением максимального давления газов в цилиндре с ростом частоты вращения коленчатого вала дизеля.

На рисунке 5.4, г показано влияние применения метанола и МЭРМ на содержание оксида углерода (С0) в ОГ быстроходного дизеля в зависимости от частоты вращения. Содержание оксида углерода в ОГ дизеля на минимальной частоте вращения п =1200 мин-1 при работе на дизельном топливе составляет 0,18 %, а при использовании в качестве топлива метанола и МЭРМ составляет 0,08 %, снижение составляет в 2,25 раза. На частоте максимального крутящего момента п = 1400 мин-1 при работе на дизельном топливе содержание СО в ОГ дизеля составляет 0,19 %, а при использовании в качестве топлива метанола и МЭРМ -0,09 %, снижение составляет в 2,1 раза. При работе на номинальной частоте вращения п = 1800 мин-1 на дизельном топливе содержание СО в ОГ дизеля составляет 0,25 %, а при использовании в качестве топлива метанола и МЭРМ - 0,14 %, снижение составляет в 1,78 раза. На максимальной частоте вращения п = 2000 мин-1 содержание СО в ОГ дизеля при работе на дизельном топливе составляет 0,3 %, а при использовании в качестве топлива метанола и МЭРМ составляет 0,18 %, снижение составляет в 1,66 раза. Подводя итоги анализа можно отметить, что выбросы оксида углерода (СО) вдоль всего интервала изменения частоты вращения при работе дизеля на метаноле с запальным МЭРМ всюду ниже, чем на ДТ процессе в среднем в 2 раза.

Такое снижение содержания СО в ОГ дизеля при работе на метаноле и МЭРМ можно объяснить, принимая во внимание различия между частотами вращения двигателя с точки зрения соотношения воздух / топливо или коэффициентом избытка воздуха (а).

Выбросы СО для метанола и МЭРМ снижаются во всем диапазоне частоты вращения двигателя. Это может быть объяснено содержанием кислорода в метаноле, что приводит к более полному сгоранию. Кроме того, с учетом снятия скоростной характеристики при высоких значениях нагрузки, что приводит к замедлению времени впрыскивания в таких условиях, что приведет к другому, т. е. к

сокращению выбросов СО. Это может быть связано также с высокой температурой горения при высоких нагрузках, что приводит к усиленному процессу окисления и тоже снижению выбросов СО.

Проводя анализ скоростной характеристики дизеля следует отметить, что при работе дизеля на метаноле и МЭРМ, наблюдается заметное уменьшение выбросов с отработавших газов таких основных токсичных компонентов как сажи (С), оксида углерода (СО) и оксидов азота (N0^.

5.3 Расчет удельных показателей токсичности ОГ быстроходного дизеля при работе на метаноле и МЭРМ на режимах испытательных циклов

В РФ для дизелей сельскохозяйственных и лесохозяйственных тракторов, техники, предназначенной и пригодной для передвижения или перемещения по грунту, будь то по дороге или бездорожью, с установленной полезной мощностью более 18 кВт, но не более 560 кВт, эксплуатируемой на разных скоростных режимах, строительной техники, самоходных сельскохозяйственных машин и дорожно ремонтной техники действуют нормы удельных выбросов вредных веществ с ОГ по ГОСТ Р 41.96-2011 (Правила ЕЭК ООН №96) [181], представленные в таблицах 5.1 и 5.2.

Таблица 5.1 - Нормы удельных выбросов вредных веществ с ОГ серийно выпускаемых дизелей, предназначенных для установки на сельскохозяйственных и лесохозяйственных тракторах и другой внедорожной технике, поставленных на производство до введения в действие в РФ ГОСТ Р 41.96-2011 (Правила ЕЭК

ООН №96), 1 марта 2013 г. [181]

Диапазон мощности Полезная мощность, кВт СО СНх №Эх ТЧ

г/(кВтч)

Е 130<Ке<560 3,5 1,0 6,0 0,2

Б 75<Ке<130 5,0 0,3

а 37<Ке<75 1,3 7,0 0,4

в 18<Ке<37 5,5 1,5 8,0 0,8

Таблица 5.2 - Нормы удельных выбросов вредных веществ с ОГ для всех проектируемых и модернизируемых дизелей, предназначенных для установки на сельскохозяйственных и лесохозяйственных тракторах и другой внедорожной технике по ГОСТ Р 41.96-2011 (Правила ЕЭК ООН №96) [181]

Диапазон Полезная мощность, СО СНх + Шх ТЧ

мощности кВт г/(кВтч)

Н 130<Ке<560 3,5 4,0 0,2

I 75<Ке<130 5,0 0,3

I 37<Ке<75 4,7 0,4

К 19<Ке<37 5,5 7,5 0,6

В соответствии с методикой определения показателей токсичных компонентов в ОГ дизеля 2410,5/12,0 при работе на метаноле и МЭРМ на режимах испытательных циклов в соответствии с ГОСТ 180-8174-4-2013 [183] и изложенной в главе 3, были определены удельные значения массового выброса каждого вредного вещества за цикл испытаний, отнесенного к приведенной мощности в единицу времени.

Результаты исследований токсичности ОГ дизеля 2410,5/12,0 при работе на метаноле и МЭРМ представлены в таблице 5.3.

Таблица 5.3 - Результаты исследований токсичности ОГ дизеля 24 10,5/12,0

при работе на метаноле и МЭРМ в соответствии с ГОСТ Р 41.96-2011 (Правила

№96 ЕЭК ООН)

Топливо Удельные выбросы, г/кВт-ч

Вкох ёеи х ё со ётч

Правила №96 ЕЭК ООН 8,0 1,5 5,5 0,8

Дизельное топливо 6,61 0,86 5,68 0,620

Метанол и МЭРМ 4,08 1,31 3,54 0,19

Графическое изображение результатов исследований дизеля 44 11,0/12,5, работающего на метаноле и МЭРМ по стандарту ГОСТ 1Б0-8174-4-2013 и соот-

ветствие их ГОСТ Р 41.96-2011 (Правила ЕЭК ООН №96) представлено в виде гистограммы на рисунке 5.5.

В результате проведенных испытаний было установлено, что удельные показатели токсичности ОГ дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на метаноле и МЭРМ, определенные в соответствии со стандартом ГОСТ КО-8174-4 -2013, полностью соответствуют требованиям ГОСТ Р 41.96 - 2011 (Правила ЕЭК ООН №96).

Кроме того применение метанола и МЭРМ улучшает экологические показатели дизеля 2Ч 10,5/12,0: так содержание N0 меньше на 49,0 %, СН на 12,7 %, СО на 35,6 %, количество твердых частиц меньше нормы на 76,25 %.

Ж)х СНх СО тч

Правила ЕЭК ООН ■ ДТ Метанол н МЭРМ

Рисунок 5.5 - Гистограмма удельных показателей токсичности ОГ быстроходного дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на метаноле и МЭРМ в сравнении с ГОСТ Р 41.96 - 2011 (Правила №96 ЕЭК ООН)

По сравнению с работой на ДТ также наблюдается снижение содержания токсичных компонентов в ОГ дизеля при работе на метаноле и МЭРМ кроме СН.

Так содержание N0 меньше на 38,3 %, СО на 37,7 %, количество твердых частиц меньше нормы на 69,35 %. Содержание СН возрастает на 52,3 %.

5.4 Влияние применения метанола и МЭРМ на показатели сажесодержания в цилиндре дизеля и дымность ОГ быстроходного дизеля

5.4.1 Влияние применения метанола и МЭРМ на показатели сажесодержания в цилиндре дизеля и дымность ОГ быстроходного дизеля на нагрузочных режимах

На рисунке 5.6 представлено влияние применения метанола и запального МЭРМ на дымность ОГ быстроходного дизеля 24 10,5/12,0 при работе при различных установочных УОВТ на номинальном режиме работы и режиме максимального крутящего момента [190-233].

Минимальные значения дымности ОГ регистрируются при ранних УУОВ МЭРМ и метанола. Дымность растет с уменьшением как УУОВ МЭРМ, так и УУОВ метанола. Так, на номинальном режиме работы дизеля при п = 1800 мин - 1 и при ©МЭРМ = 34 ° и ©мет = 34 ° минимальное значение дымности составляет 0,4 ед. ьобси (рисунок 5.6, а). С уменьшением УУОВ МЭРМ до ©МЭРМ = 26 ° дымность ОГ возрастает в 1,75 раза - до 0,7 ед. ьобси.

Рост дымности в зависимости от УУОВ метанола при всех УУОВ МЭРМ незначительно выше, чем с изменением ©МЭРМ. Максимальное значение дымности ОГ составляет 1,3 ед. ьобси при сочетании поздних УУОВ МЭРМ и метанола ©МЭРМ = 26 ° и ©МЕТ = 26 ° соответственно. При подаче топлива на более поздних углах растет доля топлива, сгорающего в диффузионном пламени, что вызывает повышение дымности ОГ.

На режиме максимального крутящего момента при п = 1400 мин-1 сохраняются те же тенденции изменения дымности ОГ быстроходного дизеля при работе на метаноле и МЭРТ в зависимости от УУОВТ (рисунок 5.6, б).

Рисунок 5.6 - Влияние применения метанола и запального МЭРМ на дымность ОГ дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на метаноле и МЭРМ при различных установочных УОВТ: а - при п = 1800 мин-1 и ре=0,588 МПа; б - при п = 1400 мин-1 и ре=0,594 МПа

Минимальное значение дымности ОГ составляет 0,4 ед. ЬобсИ при 0МЭРМ = 34 ° и ©МЕТ = 38 С уменьшением УУОВ запального МЭРМ дымность ОГ растет и при 0МЭРМ = 26 ° принимает значение 0,7 ед. ЬобсИ. Рост дымности вызывает и уменьшение УУОВ метанола до 1,15 ед. ЬобсИ при ©мэрм = 38 ° и 0МЕТ = 26 °. Максимальное значение дымности ОГ при работе на режиме максимальной мощности составляет 1,25 ед. ЬобсИ при сочетании УУОВ 0МЭРМ=26 ° и 0мет = 26 °.

Расчетные характеристики температуры в цилиндре быстроходного дизеля при применении метанола и МЭРМ в зависимости от угла п.к.в. и нагрузки на номинальном скоростном режиме (п = 1800 мин-1) представлены на рисунке 5.7, а.

По результатам численного моделирования температур в цилиндре в зонах образования и выгорания сажи при ре = 0,115 МПа установлено, что максимальная температура газов в зоне образования сажи составляет Т1тах = 1732,6 К при угле, соответствующем максимальной температуре в зоне образования фт1тах = 22,9 ° п.к.в. Максимальная температура газов в зоне выгорания Т2тах = 2185,1 К при угле, соответствующем максимальной температуре в зоне выгорания фТ2тах = 23,9 ° п.к.в. (рисунок 5.7, б).

Температура в зоне образования сажи

Температура в зоне выгорания сажи

—•—Ре = 0.115 МПа

........Ре - 0,231 МПа

— Ре = 0,346 МПа

—►—Ре = 0,462 МПа

Ре = 0,587 МПа

--Ре = 0,692 МПа

40 60 град. п.к.в.

100 120 140

—•—Ре = 0,115 МПа

= 0,231 МПа

— Ре = 0,346 МПа

—►—Ре - 0,462 МПа

-Ре = 0,587 МПа

— — Ре = 0,692 МПа

а б

Рисунок 5.7 - Расчетные характеристики температуры в цилиндре быстроходного

дизеля при применении метанола и МЭРМ в зависимости от угла п.к.в. и нагрузки

на номинальном скоростном режиме (п = 1800 мин-1) в: а - зоне образования

сажи; б - зоне выгорания сажи

В зонах образования и выгорания сажи при ре = 0,692 МПа установлено, что максимальная температура газов в зоне образования сажи (рисунок 5.7, а) существенно выше и составляет Т1тах = 2540,1 К при угле, соответствующем максимальной температуре в зоне образования фТ1тах = 12,8 ° п.к.в. Максимальная температура газов в зоне выгорания Т2тах = 2930,7 К (рисунок 5.7, б) при угле, соответствующем максимальной температуре в зоне выгорания фТ2тах = 12,9 ° п.к.в.

На номинальном режиме работы в зонах образования и выгорания сажи при ре = 0,588 МПа установлено, что максимальная температура газов в зоне образования сажи несколько ниже и составляет Т1тах = 2502,4 К (рисунок 5.7, а) при угле, соответствующем максимальной температуре в зоне образования фТ1тах = 16,5 ° п.к.в. Максимальная температура газов в зоне выгорания Т2тах = 3002,1 К (рисунок 5.7, б) при угле, соответствующем максимальной температуре в зоне выгорания фТ2тах = 16,6 °п.к.в.

Расчетные характеристики частиц сажи в цилиндре быстроходного дизеля при применении метанола и МЭРМ в зависимости от угла п.к.в. и нагрузки на номинальном скоростном режиме представлены на рисунке 5.8.

По результатам численного моделирования характеристик частиц сажи в

цилиндре дизеля при ре = 0,115 МПа установлено, что максимальное число частиц

12

сажи составляет 110 шт. (рисунок 5.8, а) при угле, соответствующем максимальному числу частиц 39 ° п.к.в., а среднемассовый диаметр частиц сажи на выпуске равен D = 24,3 нм (рисунок 5.8, б).

а б

Рисунок 5.8 - Расчетные характеристики частиц сажи в цилиндре быстроходного дизеля при применении метанола и МЭРМ в зависимости от угла п.к.в. и нагрузки на номинальном скоростном режиме (п = 1800 мин-1): а - количество частиц сажи, шт; б - текущий среднемассовый диаметр частиц, нм