Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и постановка задачи иссследования 14
1.1. Методы обеспечения экологичности и экономичности дизелей 14
1.2. Существующие виды альтернативных топлив, их преимущества и недостатки 21
1.3. Способы получения топливных эмульсий
1.3.1. Промышленные методы приготовления эмульсий 32
1.3.2. Особенности ультразвукового метода получения эмульсий .41
1.3.3. Примеры ультразвукового эмульгирования 43
1.4. Влияние подачи и распыления двухкомпонентных смесей на экономичность и экологичность ДВС 56
1.4.1. Совершенствование подачи и распыливания топлива 56
1.4.2. Эффект дополнительного распыления от применения ТЭ 60
1.4.3. Химические особенности сгорания ТЭ в цилиндре дизеля... 67
1.5. Выводы по главе 1 72
Глава 2. Расчетные исследования топливной системы дизелей при ее работе на водотопливной эмульсии 75
2.1. Объект, задача, программа и методика исследований 75
2.2. Результаты исследований 82
2.3 Выводы по главе 2
Глава 3. Разработка способа получения водотопливных эмульсий с заданными свойствами 115
3.1. Мобильный ультразвуковой технологический эмульгатор 116
3.2. Конструкция и принцип действия мобильной ультразвуковой эмульсионной установки 120
3.3. Соответствие установки нормам производственной и экологической безопасности 123
3.4. Исследования возможностей системы подготовки с позиции коррекции физико-химических свойств эмульсий 129
3.4.1. Задача, объект и методика проведения исследований 129
3.4.2. Результаты исследований возможностей системы подготовки и подачи эмульсии 142
3.5. Выводы по главе 3 154
Глава 4. Экспериментальное исследование работы дизеля при применении водотопливных эмульсий 156
4.1. Методика и оборудование для моторного исследования дизеля работающего наВТЭ 156
4.2. Результаты моторных испытаний двигателя работающего на ВТЭ 164
4.3. Выводы по главе 4 175
Основные выводы и рекомендации 177
Список литературы
- Существующие виды альтернативных топлив, их преимущества и недостатки
- Результаты исследований
- Соответствие установки нормам производственной и экологической безопасности
- Результаты моторных испытаний двигателя работающего на ВТЭ
Введение к работе
Актуальность диссертационной работы. Автомобильный транспорт является основным потребителем нефтяного топлива, а также источником токсичных веществ. Поэтому сокращение расхода топлива и выбросов вредных веществ на автомобильном транспорте является одной из важнейших проблем, стоящих перед современным двигателестроением. Один из путей решения данной проблемы – применение смесевых топлив, в том числе водотопливных эмульсий.
В сложившейся мировой практике основными факторами, сдерживающими широкое применение смесевых топлив (особенно водотопливных эмульсий), являются: отсутствие эффективных методов их получения и стабилизации; необходимость коррекции рабочих процессов дизелей и адаптации конструкций их топливных систем с учетом изменения свойств смесевых топлив, получаемых с использованием ультразвука, для улучшения экологических и экономических показателей двигателей. Это требует проведения дополнительных расчетных и экспериментальных исследований.
Обеспечить стабильность эмульсии можно с использованием ультразвука, сочетающего энергоэффективность ее получения, простоту организации автоматического управления, при относительно малых габаритах и массе технологического оборудования. Вместе с тем в настоящее время нет ультразвуковых установок для получения топливных эмульсий, в полной мере отвечающих требованиям к эксплуатации автомобильной и строительной техники, как по конструкции (с учетом размещения на борту транспортного средства), так и по свойствам получаемых эмульсий.
Цель работы: совершенствование рабочего процесса и конструкции топливной системы дизеля, работающего на водотопливной эмульсии, для улучшения его экологических и экономических показателей.
Задачи исследования:
-
Выполнить расчетную оценку параметров впрыскивания топливной системой разделенного типа при ее работе на водотопливной эмульсии. Разработать рекомендации по адаптации конструкции топливоподающей аппаратуры с целью обеспечения стабильности параметров впрыскивания водотопливной эмульсии путём устранения неконтролируемых подвпрыскиваний, при сохранении энергетических параметров впрыскивания как у исходной ТА с применением только ДТ.
-
Сформулировать требования, предъявляемые к ультразвуковой установке транспортного средства. Разработать ее конструкцию и изготовить экспериментальный образец.
-
Провести экспериментальное исследование зависимости свойств водотопливной эмульсий от ее массового состава и режимов работы экспериментальной ультразвуковой установки.
4. Провести экспериментальное исследование влияния состава водотопливной эмульсии, полученной с применением экспериментальной ультразвуковой установки, на экологические и экономические показатели дизеля. Разработать рекомендации по совместному подбору угла опережения впрыскивания и массового состава водотопливной эмульсии для улучшения энергоэффективности и токсичности двигателя.
Объект исследования. В качестве объектов исследования расмотрены: рабочий процесс и конструкция дизельной топливной системы разделенного типа с экспериментальной ультразвуковой установкой для получения топливных эмульсий; рабочий процесс дизеля при его работе на водотопливных эмульсиях различного массового состава.
Предмет исследования. Предметом исследования послужили: параметры впрыскивания топливной системой разделенного типа при ее работе на водотопливной эмульсии; экологические и экономические показатели дизеля.
Методы исследования. Поставленная в работе цель достигнута сочетанием теоретических и экспериментальных методов исследования. С помощью расчетно-теоретических методов проведена оценка параметров впрыскивания топливной системой разделенного типа при ее работе на водотопливной эмульсии. Для определения свойств водотопливных эмульсий различного массового состава, полученных ультразвуковым способом, разработана конструкция и изготовлен экспериментальный образец транспортной ультразвуковой установки. Для получения экологических и экономических показателей работы дизеля на водотопливных эмульсиях проведены моторные испытания дизеля 2Ч10,5/12 с экспериментальным образцом транспортной ультразвуковой установки.
Достоверность результатов обеспечивалась многократным повторением испытаний и использованием статистического моделирования, высокой степенью воспроизводимости условий работы дизеля на моторном стенде, совпадением результатов расчетных и экспериментальных исследований.
Научная новизна работы заключается в:
результатах расчетного сопоставления параметров впрыскивания топливной системой разделенного типа при ее работе на водотопливных эмульсиях с массовым содержанием воды 10, 20 и 30% с работой на дизельном топливе;
оценке зависимостей свойств водотопливной эмульсий от ее массового состава и режимов работы разработанной экспериментальной ультразвуковой установки;
доказательстве на основании экспериментальных результатов возможности управления физическими свойствами эмульсий в зависимости от режима работы дизеля на борту транспортного средства;
дополнении программы гидродинамического расчёта топливной системы дизеля данными, учитывающими свойства водотопливной эмульсии в зависимости от ее массового состава;
результатах экспериментального исследования влияния состава водотопливной эмульсии, полученной с применением экспериментальной ультразвуковой установки, на экологические и экономические показатели дизеля.
Практическая ценность состоит в:
рекомендациях по адаптации конструкции топливоподающей аппаратуры с целью обеспечения стабильности параметров впрыскивания водотопливной эмульсии путём устранения неконтролируемых подвпрыскиваний, при сохранении энергетических параметров впрыскивания как у исходной ТА с применением только ДТ;
разработке конструкции и изготовлении экспериментального образца ультразвуковой установки для получения топливных эмульсий с требуемыми физико-химическими свойствами на борту транспортного средства;
рекомендациях по совместному подбору угла опережения впрыскивания и массового состава водотопливной эмульсии, полученной ультразвуковым способом, для улучшения экологических и экономических показателей дизеля.
Реализация результатов работы. Работы проводились по планам госбюджетных работ МАДИ в проблемной лаборатории транспортных двигателей кафедры «Теплотехника и автотракторные двигатели» и лаборатории электрофизических методов обработки кафедры «Технология конструкционных материалов». Результаты работы используются при подготовке бакалавров и магистров МАДИ на кафедре «Теплотехника и автотракторные двигатели».
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Результаты расчетной оценки параметров впрыскивания топливной системой разделенного типа при ее работе на водотопливной эмульсии и ДТ.
-
Рекомендации по адаптации конструкции топливоподающей аппаратуры с целью обеспечения стабильности параметров впрыскивания водотопливной эмульсии путём устранения неконтролируемых подвпрыскиваний, при сохранении энергетических параметров впрыскивания как у исходной ТА с применением только ДТ.
-
Требования, предъявляемые к ультразвуковой установке транспортного средства. Конструкция и описание изготовленного экспериментального образца.
-
Результаты экспериментального исследования зависимости свойств водотопливной эмульсий от ее массового состава и режимов работы экспериментальной ультразвуковой установки.
-
Результаты экспериментального исследования влияния состава водотопливной эмульсии, полученной с применением экспериментальной ультразвуковой установки, на экологические и экономические показатели дизеля.
-
Рекомендации по совместному подбору угла опережения впрыскивания и массового состава водотопливной эмульсии для улучшения энергоэффективности и токсичности двигателя.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на научно-технических конференциях в МАДИ (68-я, 69-я, 70-я и 71-я научно-методические и научно-исследовательские конференции), конференциях Ассоциации технологов машиностроителей Украины «Современные проблемы производства и ремонта в промышленности и на транспорте» (2010, 2012, 2013 гг.), научных конференциях Российского акустического общества (2010, 2011, 2012 гг.).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 13 статьях и докладах, из них 6 – в рецензируемых научных изданиях, 7 - в виде докладов на научно-технических конференциях.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка, содержит 194 страниц машинописного текста, в том числе 71 рисунок, 27 таблиц. Библиография содержит 101 наименование.
Существующие виды альтернативных топлив, их преимущества и недостатки
Охлаждение рециркуляционных газов стало двухступенчатым за счет использования радиатора, позволяющим «сбить» температуру с 150 до 50 С (чем ниже температура, тем ниже содержание NOx в выхлопе). Данная технология позволила значительно снизить содержание оксидов азота в выхлопных газах (нормы Евро-6 по сравнению с Евро-5 снижают предельную концентрацию NOx в 2 раза), однако на ряду с этим возросло сопротивление в выхлопное системе, что привело к увеличению расхода топлива для обеспечения той же мощности.
Еще одним существенным недостатком данной системы является то, что она требует установки ряда дополнительного оборудования (жидкостного охладителя и дополнительного радиатора) в подкапотное пространство, что в большинстве случаев приводит к увеличению габаритов машины и значительному увеличению ее стоимости.
Для автомобилей большой грузоподъемности, автомобильная промышленность применяет также технологию селективной каталитической нейтрализации (SCR), где в качестве восстанавливающего агента используется раствор мочевины. Технология SCR основана на впрыске строго дозированного количества реагента в поток отработанных газов в присутствии катализатора (пентаоксид ванадия), в результате чего происходит химическая реакция превращения вредных оксидов азота (NOx) в безвредные вещества - азот и воду. Применение технологии SCR подтвердило возможность нейтрализовать выбросы окислов азота NOx во время проведения испытательных циклов и в эксплуатационном режиме. Для двигателей с низким уровнем твердых частиц в выхлопных газах применение технологии селективной каталитической нейтрализации SCR для снижения концентраций окислов азота позволяет соответствовать требованиям стандартов Евро-5.
Для того, чтобы эффективность технологии SCR с последующей обработкой выхлопных газов, осталась на прежнем уровне, необходимо избегать загрязнения реагента посторонними веществами и частицами, а также не подвергать жидкость физическим состояниям сверх установленных пределов.
В качестве недостатков данной технологии следует отметить в первую очередь высокую стоимость применяемым реагентов (1 евро - в Европе; 3 евро - в России), что значительно увеличивает эксплуатационные расходы, а также значительные габариты данной системы, не позволяющие устанавливать ее на легковые автомобили. Для России немаловажным недостатком данной системы служит крайне высокая температура замерзания реагентов.
Обеспечение норм Евро-6 не возможно при использовании только конструктивных методов, также не маловажным является качество топлива. В связи с этим можно выделить ряд способов обеспечения экологичности за счет изменения основных свойств топлива [2].
Одним из наиболее известных методов топливного обеспечения норм Евро-5 и Евро-6 является двухстадийный гидрокрекинг, который сейчас повсеместно осваивают при переработке нефти и в Европе, и в России, и во многих странах Азии.
Гидрокрекинг осуществляется действием водорода в присутствии катализаторов на высококипящие нефтяные фракции (главным образом вакуумный дистиллят с пределами выкипания 300 ... 540С), а также на легкокипящие и среднедистиллятные прямогонные фракции и вторичные продукты их термокаталитической переработки. При этом происходит получение бензиновых фракций, реактивного и дизельных топлив, смазочных масел, сжиженных газов, сырья для пиролиза, каталитического риформинга и крекинга.
Гидрокрекинг характеризуется гидрогенолизом серо-, азото- и кислородсодержащих соединений; гидрированием ароматических (полициклических) углеводородов; раскрытием нафтеновых колец; гидродеалкилированием алкилароматических и нафтеновых углеводородов; разрывом цепи парафиновых углеводородов; изомеризацией и гидрированием образующихся продуктов. По сравнению с другими методами гидрокрекинг позволяет производить из одной тонны нефти значительно больше нефтепродуктов, на которые есть спрос. В первую очередь это дизтопливо и авиационное реактивное топливо очень высокого качества. В частности, получаемое ДТ обладает крайне низким содержанием серы (2 ... 3 ррм), с очень высокими характеристиками по цетановому числу (лучше, чем требуется в нормах), а также с надежными параметрами температуры застывания - до минус 40С
Однако, использование гидрокрегинга требует полного или частичного (совмещенное производство при помощи гидро- и каталитического крекинга) переоборудования существующих нефтеперерабатывающих заводов (НПЗ), что не может быть в полном объеме осуществлено к моменту вступления в действие норм Евро-6. Также следует отметить, что данная технология обладает длительным сроком окупаемости и рассчитана на работу в течении 20 ... 30 лет. Однако в условиях постоянного ужесточения требований к выбросам автомобилей через 20 лет данная технология уже не будет отвечать нормам Евро.
Наряду с гидрокрегингом, на НПЗ также активно используется процесс гидроочистки, заключающийся в селективном гидрировании содержащихся в моторных топливах (бензин, керосин, дизельное топливо), маслах и др. нефтепродуктах (например, в сырье для каталитического риформинга) органических сернистых, азотистых и кислородных соединений, которые, присоединяя водород, образуют соответственно сероводород, аммиак и воду и в таком виде удаляются из очищаемого продукта. Этот процесс приобрёл очень большое значение в связи с вовлечением в переработку больших количеств высокосернистой нефти.
Недостатком гидроочистки является то, что этот процесс ведут в присутствии гидрирующего катализатора (например алюмомолибдата кобальта) при давлении водородсодержащего газа 10 ... 100 кгс/см2. При этом расходуется значительное количество водорода (чтобы снизить на 1% содержание серы, необходимо затратить его 9 ... 18 м3 на 1 м3 сырья), поэтому установки гидроочистки необходимо совмещать с установками каталитического риформинга, дающими избыточный водород. Но даже при такой схеме производства тот бензин, который получают в процессе гидроочистки, требует дополнительной очистки, исходя из экологических требований. Так, в стандарте Евро-5 допускается содержание серы в продукте не более 10 ррм. При использовании процесса каталитического крекинга, это недостижимо, чтобы получить такой бензин, должно быть нулевое содержание серы в сырье. Поэтому при каталитическом крекинге приходится производить дополнительную гидроочистку выпущенного бензина, но при этом его октановое число падает.
Результаты исследований
Наиболее приемлемый способ подачи в камеру сгорания смеси топлив заключается в том, что в начале процесса осуществляется впрыскивание преимущественно дизельного топлива (до 90%), а заканчивается рабочий цикл - преимущественным содержанием второго топливного компонента, т.е. массовый состав смеси, поступающей в камеру сгорания, зависит от угла поворота вала насоса [52].
Незначительное содержание альтернативного компонента в запальном топливе в начале впрыскивания не увеличит время воспламенения. При этом последующее нарастание подачи массовой доли спирта (воды) будет обеспечивать быстрое и эффективное смесеобразование, при котором, обеспечивая должную оптимизацию продолжительности впрыскивания и угла опережения впрыскивания, можно добиться существенного улучшения токсичности ОГ дизеля.
В процессе подачи и первичного распыливания смеси топлив с переменным массовым составом, в камере сгорания дизеля, в которой осуществляется вихревое движение воздушного заряда, происходит дополнительное распыление смеси и распределение ее по камере сгорания. В результате первые порции топлива, имеющие большую массовую долю альтернативного компонента (в качестве присадки в таком случае может выступать дизельное топливо), и последующие порции топлива с меньшими значениями массовой доли будут рассредоточены по различным объемам заданной зоны смешения. Таким образом, имеет место расслоение струй распыленной смеси топлив по массовому составу смеси, т.е. по цитановому числу. Это расслоение здесь и в дальнейшем принято как зональное [53].
Кроме того, для дизеля, оборудованного топливной аппаратурой, обеспечивающей подачу через общую форсунку запального (дизельного) топлива и альтернативного компонента, нет необходимости подавать все запальное топливо через все распыливающие отверстия на всех режимах работы. С позиции рационального использования обоих топлив, топливной экономичности, динамики процесса сгорания, токсичности отработавших газов дизеля можно полагать, что целесообразным будет осуществлять впрыскивание основной массы запального топлива через одно или часть распыливающих отверстий распылителя, которые будут ориентированы в определенные зоны камеры сгорания.
Поскольку нефтяные топлива и присадки (например, спирт) имеют различную теплотворную способность, то организация такого процесса (перераспределение запального топлива по зонам камеры сгорания дизеля) дает возможность более рационально использовать воздух путем оптимизации величины коэффициента избытка воздуха (а), в различных зонах камеры сгорания. Это относится, в частности, к дизелям, в которых форсунка расположена ассиметрично относительно оси камеры сгорания. Направленное перераспределение запального топлива по зонам камеры сгорания создает предпосылки для организации опережающего воспламенения смеси в определенной зоне камеры сгорания с последующим воспламенением смесей в других зонах. Это создает условия для коррекции динамики процесса нарастания давления в цилиндре дизеля, т.е. дает возможность направленного воздействия на процессы, в частности образования NOx, шумоизлучения.
Следует отметить, что в последние годы общепринятой тенденцией развития двигателестроения является увеличение числа распыливающих отверстий при одновременном уменьшении вихревого движения воздуха. В этом случае дополнительное распыливание играет меньшую роль в процессе смесеобразования, чем первичное распыливание. Процесс смесеобразования в таких условиях ограничен меньшим объемом зоны смешения распыленной единичной струи энергоносителя и воздуха. В этом случае перераспределение запального топлива по распыливающим отверстиям и, следовательно, по зонам камеры сгорания создает условие, когда в заданной зоне, например за время t; и, будет сосредоточено большее количество присадки, чем в соседней. В результате имеет место расслоение струй распыленной смеси топлив по цитановому числу. Это расслоение принято как межзональное [52].
Отмеченное выше зональное расслоение струй распыленной смеси топлив может быть осуществлено и при практическом отсутствии вихревого движения воздушного заряда в камере сгорания дизеля. В этом случае, если в процессе впрыскивания осуществлять изменение ориентации струи распыленной смеси, поступающей в камеру сгорания дизеля с переменным массовым составом, то в пределах заданной зоны будут существовать объемы, в которых величина массового состава смеси будут значительно отличатся.
Зональное смесеобразование может быть реализовано практически в любой модели современного дизеля. Например, рассмотрим дизель, в котором форсунка расположена симметрично относительно оси камеры сгорания и в котором используется одно традиционное топливо. Если взять два соседних объема камеры сгорания, расположенных соответственно в зонах впускного и выпускного клапанов, то в этих зонах могут наблюдаться отличия: температур клапанов на 400...500С, газодинамические характеристики воздушного заряда [39]. Последнее наблюдалось В.Н. Жабиным при исследовании газодинамических характеристик, в частности, дизеля 84 11/11,5. Эти отличия при должной организации процессов топливоподачи и распыливания топлив могут быть использованы для совершенствования смесеобразования, воспламенения и сгорания в дизеле.
Соответствие установки нормам производственной и экологической безопасности
Ультразвуковые преобразователи этой системы питаются от ультразвукового генератора. В состав комплекса входят также система хранения эмульсии и системы подачи и подготовки компонетов эмульсии. Отличительной особенностью установки направленой на расширение её технических возможностей является модульная структура компоновки данных систем, что позволяет заменять их в зависимости от условий Установка (рис. 3.5) содержит ультразвуковую колебательную систему УЗКС-С22П 1 с рабочим органом 2 (4 пьезокерамических преобразователя), УЗКС-С22П крепится к камере обработки 3, которая через подвесы закрепляется на раме 4, на раме также фиксируется бак 5, в нижней части которого расположен штуцер с запорным устройством 6 для подвода компонентов эмульсии к насосу. В нижней части рамы установлен насос 7, подающий эмульсию к колебательной системе.
На выходе из насоса установлен тройник 8 для распределения потока компонентов эмульсии и слива излишков компонентов обратно в бак; совместно с тройником на обеих магистралях смонтированы краны 9, 10, служащие для регулирования потока жидкости и скорости обработки; по обеим сторонам бака закреплены сливные патрубки для слива готовой эмульсии в бак 11, и отвода излишков компонентов эмульсии 12.
Сверху на раме закрепляется полка 13, на которую устанавливается генератор 14 ультразвуковых частот УЗГ-2-22; справа на раме силовой блок 15, для запитывания генератора и насоса; на выходе с камеры обработки установлен тройник 16 с краном 17 для подключения подачи эмульсии к системе питания двигателя.
При запуске установки предварительно происходит прокачка жидкости по запасной магистрали через штуцер с краном 6, тройник 8 и кран 9, при этом кран 10 перекрывается, это необходимо для предварительного перемешивания компонентов эмульсии. Затем открывается кран 10 и запускается генератор 14. При помощи кранов 9 и 10 происходит регулировка подачи компонентов эмульсии к преобразователю. Таким образом, выдерживается необходимы поток эмульсии. При этом кран 17 находится либо в закрытом, либо открытом состоянии в зависимость и от того подключена ли установка к системе питания двигателя.
После окончания цикла технологической обработки, вручную производится отключение генератора ультразвуковых частот, после чего перекрываются краны 10 и 17, происходит прокачка оставшейся в системе эмульсии, затем перекрываются краны 6 и 9 производится отключение питания насоса.
При разработке конструкции мобильной ультразвуковой эмульсионной установки, а также при подборе оборудования для нее производилась оценка основных негативных воздействий данной установки с точки зрения производственной и экологической
Практика создания промышленных изделий с учетом требований техники безопасности, психофизических возможностей человека и эстетического воздействия, т.е. с учетом так называемого «человеческого фактора», приводит к повышению культуры производства, улучшению качества работ и к увеличению экономического эффекта. В настоящее время общепризнанно, что внешний вид оборудования, спроектированного с учетом «человеческого фактора», в значительной степени влияет на создание благоприятной обстановки, которая снижает утомляемость оператора и обслуживающего персонала.
Люди находящиеся в непосредственной близости от ультразвукового оборудования в течение длительного времени, подвергаются значительному воздействию шума. Именно поэтому современному комплексу ультразвукового оборудования необходимо соответствовать требованиям безопасности в отношении защиты человека.
Измерение уровня шума проводилось при помощи шумомера Testo 816, технические характеристики которого приведены в табл. 3.3. Уровень звукового давления сопоставлялся с максимально допустимым в соответствии с «Гигиеническим требованиям к устройству и эксплуатации ультразвуковых установок» и ГОСТ 12.1.001-89 «Система стандартов безопасности труда. Ультразвук. Общие требования безопасности» [75].
Результаты моторных испытаний двигателя работающего на ВТЭ
Из полученных характеристик (рис. 4.3-4.5) видно, что вне зависимости от нагрузочного режима увеличение массовой доли воды в топливе (с Кв=0 до Кв=0,3) приводит к снижению содержания в ОГ сажи С и оксидов азота NOx. Также происходит значительное снижение температуры ОГ tr. При этом снижение содержания вредных веществ с увеличением Кв наблюдалось на всех исследованных установочных
Полученные зависимости выбросов NOx и сажи от массовой доли воды соответствует общепринятой теории рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания. Как видно из графиков, введение в КС дизеля воды позволяет понизить температуру ОГ и, следовательно, температуру в КС за счет энергии затрачиваемой на взрывное парообразование. Это, в свою очередь, приводит к снижению образования оксидов азота NOx связанных с температурными процессами.
Наибольший эффект от использования ВТЭ достигается при установочном угле опережения впрыскивания 16 ПКВ. При этом снижение выбросов NOx на всем диапазоне нагрузок составило 40%. При этом наблюдается максимальное снижение температуры ОГ по сравнению с УОВ 22 и 30 ПКВ (на 15% по сравнению с 7 и 5% соответственно).
Снижение содержания сажи в отработавших газах при увеличении Кв составляет от 10 до 25% в зависимости от УОВ. При этом следует отметить, что наибольшее снижение содержания сажи наблюдается при увеличении Кв от 0,1 до 0,2 и УОВ 16 ПКВ до ВМТ. Это может быть объяснено значительным улучшением смесеобразования вследствие дополнительного распыления по сравнению с ДТ. Замедление темпов снижения выбросов сажи при дальнейшем увеличении Кв связано с тем, что увеличение цикловой подачи приводит к увеличению продолжительности впрыскивания (с 10,44 до 12,5 ПКВ), что в свою очередь увеличивает роль диффузионного сгорания.
Из графиков также видно, что наибольшее в относительном выражении снижение выбросов оксидов азота наблюдалось в зоне низких нагрузок (ре 0,4 МПа), тогда как наибольший эффект от увеличения Кв по снижению содержания сажи в ОГ имеет место при максимальной нагруженности дизеля.
На основе анализа зависимостей на рис. 4.3-4.5 сделан вывод, что наилучшим с позиции экологичности работы дизеля является следующий режим работы двигателя: фвоп=22 ГЖВ и Кв=0,3. Данный режим в снижение выбросов оксидов азота NOx, по сравнению с фвоп=30 ГЖВ, практически в 2 раза. При этом наблюдаются приемлимые для рабочего процесса значения выбросов сажи.
Для оценки экономических показателей дизеля при работе на ВТЭ построены зависимости ge дизельного топлива от эффективной нагрузки и установочного угла опережения впрыскивания (рис. 4.6-4.8).
Из анализа полученных характеристик (рис. 4.6-4.8) следует, что кривые зависимостей удельного эффективного расхода топлива от нагрузки для различных углов опережения впрыскивания имеют различный характер. Так для фвоп=16 ГЖВ и фвоп=30 ГЖВ характерно увеличение удельного расхода ДТ с увеличением массовой доли воды в топливе практически на всем диапазоне рабочих нагрузок дизеля. Снижение удельного расхода при таких значениях УОВ достигается только на режимах близких к режиму максимальной нагрузки (ре 0,5 МПа). При этом на режиме максимальных нагрузок (ре=0,60 МПа) нагрузок удельный эффективный расход топлива для ВТЭ практически не зависит от Кв. На режиме максимальной нагрузки снижение ge по сравнению с ДТ составляет 5% для фвоп=16 ГЖВ и 3% для фвоп=30 ГЖВ.
При фопв=22 ПКВ удельный эффективный расход топлива при работе на ВТЭ снижается на большинстве рабочих нагрузок. При этом наименьший расход соответствует ВТЭ с Кв=0,1 и соответственно увеличивается при увеличении Кв с 0,1 до 0,3. Максимальное снижение ge по сравнению с работой на ДТ составляет 15 г/кВт ч (5%) и наблюдается при работе на ВТЭ с Кв=0,1 на режиме соответствующем максимальной
Подобный характер зависимости ge от Кв и УОВ может быть объяснено тем, что при фв.оп=16 ПКВ и фвоп=30 ПКВ процессы смесеобразования и сгорания в дизелях происходят неоптимальным образом. Так, например, при фв.оп=160 ГЖВ имеет место догорание смеси в выхлопной системе, при котором в значительной степени снижается эффективность процесса дополнительного распыления и его влияние на процесс смесеобразования. При этом часть теплоты образовавшейся в КС расходуется на парообразование, в результате чего снижаются экономические показатели дизеля в целом.
При фвоп=22 ГЖВ смесеобразование максимально приближено к оптимальному, соответственно явление дополнительного распыления позволяет значительно улучшить процесс смесеобразования и. как позволяет увеличить топливную эффективность дизеля. Дальнейшее увеличение доли воды приводит к увеличению ge вследствие роста потерь энергии на парообразование и увеличение продолжительности подачи топлива в камеру сгорания.
При анализе зависимости КПД дизеля от Кв было замечено, что увеличение массовой доли воды в ВТЭ приводит к незначительному снижению КПД (на 1 ... 2%). Следует отметить, что с увеличение УОВ с 16 до 30 ПКВ максимальное значение КПД при работе на ВТЭ смещается в сторону зоны максимальных нагрузок: с ре=0,45 МПа при фопв=15 ПКВ до ре=0,55 МПа при фвоп=30 ПКВ. При этом максимальное значение КПД при работе на ДТ при всех значениях УОВ соответствует нагрузке ре=0,45