Содержание к диссертации
ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 4
ВВЕДЕНИЕ 5
1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 12
1.1. Социально-экологические аспекты влияния автотракторных
двигателей на окружающую среду
1.2. Применение природного газа в дизелях 20
Природный газ в качестве моторного топлива. Методы подачи природного газа
Применение природного газа в дизелях в РФ и за рубежом 24
1.3. Особенности процесса смесеобразования и горения в цилиндре
дизеля
1.3.1. Особенности процесса впрыскивания 32
1.3.1.1. Особенности процесса впрыскивания в цилиндре дизеля 33
1.3.1.2. Особенности процесса впрыскивания жидкого топлива в .„
цилиндре газодизеля
1.3.2. Особенности процесса смесеобразования 44
1.3.2.1. Особенности процесса смесеобразования в цилиндре дизеля 45
1.3.2.2. Особенности процесса смесеобразования в цилиндре
газодизеля
1.3.3. Особенности процессов воспламенения и горения 61
Особенности процессов воспламенения и горения в цилиндре дизеле
Особенности горения дизельного топлива в цилиндре 7? газодизеля
1.4. Задачи исследований 81
2. МОДЕЛИ ПРОЦЕССОВ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ И ГОРЕНИЯ
В ЦИЛИНДРЕ ГАЗОДИЗЕЛЯ
Феноменология смесеобразования в цилиндре газодизеля при впрыскивании дизельного топлива через многодырчатую 84 форсунку
Феноменология воспламенения метановоздушнои среды в цилиндре газодизеля
Феноменология горения дизельного топлива, впрыскиваемого _ . через многодырчатую форсунку в МВС цилиндра газодизеля
2.4. Двумерная модель неустойчивости пламени,
распространяющегося во вращающемся газе
3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ 117
Цель и задачи исследований 117
Объект испытаний 117
3.3. Методика исследований рабочего процесса дизеля 118
3.3.1. Экспериментальная установка, приборы и оборудование 123
3.4. Обработка результатов исследований. Ошибки измерений 132
4. УЛУЧШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ
ТРАКТОРНОГО ДИЗЕЛЯ 44 11,0/12,5 ПУТЕМ
ПРИМЕНЕНИЯ В КАЧЕСТВЕ АЛЬТЕРНАТИВНОГО
ТОПЛИВА ПРИРОДНОГО ГАЗА
4.1. Оптимизация параметров газового смесителя-дозатора 136
Влияние применения природного газа на эффективные показатели дизеля 44 11,0/12,5 при изменении установочного 140 угла опережения впрыскивания топлива
Влияние применения природного газа на эффективные показатели тракторного дизеля 44 11,0/12,5 в зависимости от 148 изменения нагрузки
Влияние применения природного газа на эффективные показатели тракторного дизеля 44 11,0/12,5 в зависимости от 158 функции частоты вращения коленчатого вала
4.5. Влияние применения природного газа на индикаторные
показатели, характеристики сгорания и тепловыделения 164
тракторного дизеля 44 11,0/12,5
4.5.1. Влияние применения природного газа на индикаторные
показатели, характеристики сгорания и тепловыделения .,.
тракторного дизеля 44 11,0/12,5 на различных нагрузочных
режимах
4.5.2. Влияние применения природного газа на показатели процесса
сгорания и характеристики тепловыделения тракторного дизеля 179
44 11,0/12,5 в зависимости от изменения частоты вращения
5. РАЗРАБОТКА МАКЕТНОГО ОБРАЗЦА ТРАКТОРА МТЗ-80/82
ДЛЯ РАБОТЫ НА СЖАТОМ ПРИРОДНОМ ГАЗЕ
5.1. Разработка системы дозирования и регулирования подачи
природного газа в цилиндры дизеля Д-240, 183 сельскохозяйственного трактора МТЗ-80/82
5.2. Разработка и создание макетного образца трактора МТЗ-80/82 1R,
для работы на сжатом природном газе
6. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
ПРИРОДНОГО ГАЗА В КА4ЕСТВЕ МОТОРНОГО 192
ТОПЛИВА В ТРАКТОРНОМ ДИЗЕЛЕ 44 11,0/12,5
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 195
ЛИТЕРАТУРА 197
ПРИЛОЖЕНИЯ 213
ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
п - частота вращения коленчатого вала дизеля, мин"1
ре - среднее эффективное давление, МПа
Ne - эффективная мощность дизеля, кВт
Мк - крутящий момент дизеля, Н-м
GB - часовой расход воздуха, кг/ч
r|v - коэффициент наполнения
GT - часовой расход топлива, кг/ч
а - коэффициент избытка воздуха
ge - удельный эффективный расход топлива, г/кВт-ч 10.г|е - эффективный коэффициент полезного действия
tr - температура отработавших газов, С
ф - угол поворота коленчатого вала, градус
0впр - установочный угол опережения впрыскивания топлива, градус
т, - период задержки воспламенения
pz - максимальное давление сгорания в цилиндре, МПа
рс - давление конца сжатия, МПа
17.— - скорость нарастания давления в цилиндре, МПа/градус dcp
18.x " относительное тепловыделение от сгорания топлива
19. Хі - активное тепловыделение
—^ - относительная скорость активного тепловыделения, 1/градус dtp
Т - осредненная температура цикла в цилиндре, К
GTO, Gt, GT3an - часовые расходы дизельного топлива, запального
дизельного топлива кг/ч
Gr - часовой расход природного газа, кг /ч
NOx - оксиды азота, %
СО - оксид углерода, %
СО2 - диоксид углерода, %
СНХ, CnHm - суммарные углеводороды, %
С - сажа, ед. по шкале Bosch
ДТ - дизельное топливо
ОГ - отработавшие газы
ДВС - двигатель внутреннего сгорания
КС - камера сгорания
к.п.д. - коэффициент полезного действия
в.м.т. - верхняя мертвая точка
н.м.т. - нижняя мертвая точка
п.к.в. - поворот коленчатого вала
СПГ - сжатый природный газ
Введение к работе
Двигатели тракторов и автомобилей, представляющие основу мобильного обеспечения сельскохозяйственного производства Российской Федерации и стран СНГ, являются одним из основных источников загрязнения окружающей среды и потребителями моторных нефтяных топлив. Так, автотранспорт в странах СНГ потребляет в год около 60 млн. тонн топлива, только в сельском хозяйстве этих стран находится около 4 млн. тракторов и более миллиона комбайнов. При этом необходимо иметь в виду, что все тракторные и комбайновые двигатели - дизели.
В связи с тем, что дизели, кроме определенного экологического преимущества (меньшая эквивалентная токсичность в 1,5...2 раза по сравнению с карбюраторными двигателями), имеют высокую топливную экономичность (на 25...30 %), этот тип двигателей внутреннего сгорания (ДВС) необходимо рассматривать как наиболее перспективный практически во всех отраслях хозяйства.
В отработавших газах (ОГ) дизелей содержится несколько сотен различных компонентов, многие из которых токсичны. Они попадают на растения, почву, вдыхаются животными и людьми, снижают урожайность, ухудшают качество сельскохозяйственной продукции, оказываются в организмах животных и людей, в потребляемой ими пище.
Анализ состояния проблем антропогенного и техногенного воздействия транспортных средств на окружающую среду позволяет сделать вывод, что при существующих тенденциях в развитии транспортного комплекса России (технического уровня тракторов и автомобилей, качества топлив и масел, состоянию работ по контролю и уменьшению вредных выбросов) его негативное воздействие на окружающую среду через 5... 10 лет значительно усилится.
Как и за рубежом, основными направлениями по снижению загрязне-
ния атмосферного воздуха от вредных выбросов тракторов и автомобилей в сельском хозяйстве России будут: улучшение качества ДВС и их социально-экологических характеристик, снижение расхода топлива, ускоренное развитие транспортных средств, работающих на альтернативных моторных топли-вах ненефтяного происхождения и имеющих улучшенные эффективные показатели.
Крайне неблагоприятная экологическая обстановка во многих регионах, международные обязательства России по охране окружающей среды, определяют важность работ, направленных на ее оздоровление, в первую очередь на снижение загрязнения атмосферного воздуха от вредного выброса транспортных средств.
Отмечено, что на долю ДВС приходится более 50 % глобального и до 80...90 % регионального загрязнения воздуха, причем доля выбросов в локальных участках может значительно превышать средние значения по городу, региону, что приводит к созданию там экологически экстремальных условий.
Вместе с тем весьма актуальным для хозяйства России является проблема экономии нефтяного моторного топлива, исследование возможности его замены на альтернативные виды топлива ненефтяного происхождения и использование их в двигателях транспортных средств.
При этом особый интерес представляют задачи одновременного улучшения экологических и эффективных показателей дизелей транспортных средств.
Анализ передовых направлений научных исследований, проведенных за рубежом и в странах СНГ, посвященных данной задаче, позволяет сделать вывод, что для практической реализации в двигателях транспортных средств и, в первую очередь, в дизелях, возможно использование такого альтернативного топлива как природный газ, который имеет ненефтяное происхожде-
ние и может существенно улучшить эффективные и токсические показатели дизелей и при этом расширить ресурсы моторного топлива.
В ряде институтов бывшего СССР в разные годы велись работы по использованию в дизелях альтернативных топлив ненефтяного происхождения, в первую очередь природного газа. Результаты теоретических работ и экспериментальных исследований отражены в работах: Аксенова Д.Т., Васильева Ю.Н., Вырубова Д.Н., Генкина К.И., Гуревича Н.А., Гольдблата И.И., Дол-ганова К.Е., Капустина А.А., Кайдалова А.А., Кеймаха Я.И., Ксенофонто-ва СИ., Коллерова Л.К., Кудряша А.П., Лебедева С.Е., Лиханова В.А., Ма-зинга Е.К., Мансфельда Г.Г., Мараховского В.П., Мурашова О.Д., Муталибо-ва А.А., Основенко Н.Е., Пятниченко А.И., Равкинда А.А., Самоля Г.И., Струнге Б.Н., Субоча Н.И., Чудакова Е.А. и других.
Обобщение результатов научных исследований по экологическим работам в области отечественного дизелестроения показывает, что учеными стран бывшего СССР исследовались в разные годы проблемы в этой отрасли, в первую очередь, по созданию малотоксичных дизелей подземного назначения, автомобильных дизелей, дизелей для железнодорожного транспорта. Эти вопросы отражены в работах Батурина С.А., Варшавского И.Л., Вихер-таМ.М., Воинова А.Н., Гиршовича В.Е., Гладкова О.А., Жегалина О.П., Кратко А.П., Круглова М.Г., Кутенева В.Ф., Лермана Е.Ю., Мочешнико-ваН.А., Николаенко А.В., Павловича Л.М., Рафаелес-Ламарка Э.Э., Сало-вой Т.Ю., Сайкина A.M., Свиридова Ю.Б., Смайлиса В.И., Филипосянца Т.Р., Фурсы В.В., Френкеля А.И., Шатрова Е.В. и других.
Углубленный анализ результатов научных исследований показывает, что зарубежными учеными и отечественными исследователями разработаны предпосылки, проведены глубокие экспериментальные работы на базе высококачественной измерительной техники по экологическим исследованиям дизелей. Имеются некоторые работы по исследованию возможности использования в дизелях природного газа.
Вместе с тем необходимо отметить, что исследования по применению природного газа проводились без должного учета взаимосвязи экологических и эффективных показателей дизелей, практически нет работ по применению природного газа в тракторных дизелях малой размерности, отсутствуют работы по созданию систем регулирования подачи газа для дизелей с насосами рядного типа. Мало работ, заканчивающихся созданием макетных образцов и проведением функциональных испытаний.
Все это дает основание предполагать, что улучшение эффективных показателей дизелей тракторов, предназначенных для эксплуатации в экологически экстремальных условиях, путем применения природного газа и оптимизации процессов сгорания и тепловыделения, для снижения токсичности и дымности ОГ, экономии нефтяного моторного топлива, является актуальной научной задачей, имеющей важное народнохозяйственное значение и включенной в перечень критических технологий федерального уровня.
В связи с вышеизложенным, научная задача сформулирована как улучшение эффективных показателей тракторного дизеля 44 11,0/12,5 (Д-240) путем применения природного газа и оптимизации процессов сгорания и тепловыделения.
Целью исследований является улучшение эффективных показателей тракторного дизеля путем применения природного газа и оптимизации процессов сгорания и тепловыделения.
Народнохозяйственное значение научной задачи состоит в улучшении эффективных показателей дизелей тракторов, предназначенных для эксплуатации в экологически экстремальных условиях, путем применения природного газа и оптимизации процессов сгорания и тепловыделения для снижения токсичности и дымности ОГ, экономии нефтяного моторного топлива.
Научная новизна работы. Исследование влияния природного газа на процесс сгорания, характеристики тепловыделения, мощностные, экономические и токсические показатели тракторного дизеля 44 11,0/12,5 с камерой
сгорания ЦНИДИ.
Феноменологическая модель, основывающаяся на особенностях воспламенения и горения метановоздушной среды в цилиндре газодизеля размерности 44 11,0/12,5 с камерой сгорания ЦНИДИ при впрыскивании дизельного топлива (запального) через многодырчатую форсунку.
Двумерная модель неустойчивости пламени, распространяющегося во вращающемся газе, для определения устойчивой работы газодизеля на критических режимах работы и границ устойчивого горения.
Система дозирования и регулирования подачи природного газа в цилиндры тракторного дизеля 44 11,0/12,5.
Конструкция макетного образца трактора МТЗ-80, работающего на сжатом природном газе с оптимизированными показателями процесса сгорания, тепловыделения и улучшенными эффективными показателями, предназначенного для эксплуатации в экологически экстремальных условиях.
Практическая ценность работы и реализация результатов исследований. Результаты научно-технической разработки, созданной при выполнении диссертационной работы доведены до стадии создания макетного образца трактора МТЗ-80 и проведения функциональных испытаний. Результаты НИР по созданию макетного образца трактора МТЗ-80 с системой питания, модернизированной для работы на сжатом природном газе (СПГ) переданы НПО СКТ НАТИ (г. Москва) для внедрения в перспективных работах. Макетный образец трактора МТЗ-80 используется в учебно-опытном хозяйстве «Чистые пруды» Вятской ГСХА, чертежно-конструкторская документация передана в ООО «Волготрансгаз» Кировского ЛПУ МГ РАО «Газпром». Результаты исследований рекомендованы для перевода мобильных энергетических средств на природный газ в Республике Татарстан.
Материалы диссертации используются в учебном процессе Вятской, Нижегородской государственных сельскохозяйственных академий и Чувашском институте Московского открытого государственного университета.
Экономический эффект от внедрения макетного образца газодизельной модификации трактора МТЗ-80 составляет 40 тыс. руб. в год на один трактор при средней годовой наработке 1000 мото-часов.
Связь с планами научных исследований. Диссертационная работа выполнена в соответствии с темой № 24 плана НИР Вятской ГСХА на 2000...2005 г. г. (номер государственной регистрации в ВНТИ Центре 01.2002.06497).
На защиту выносятся следующие положения.
Феноменологическая модель смесеобразования, воспламенения и горения метановоздушной среды в цилиндре дизеля размерностью 44 11,0/12,5 с камерой сгорания ЦНИДИ, при впрыскивании запального дизельного топлива через многодырчатую форсунку.
Двумерная модель неустойчивости пламени, распространяющегося во вращающемся газе с целью определения устойчивой работы газодизеля на критических режимах работы и границ устойчивого горения.
Система дозирования и регулирования подачи природного газа в цилиндры тракторного дизеля 44 11,0/12,5.
Результаты стендовых исследований по влиянию применения природного газа на процесс сгорания, характеристики тепловыделения и их оптимизации, воздействия на токсичность и дымность ОГ, мощностные и экономические показатели тракторного дизеля 44 11,0/12,5.
Макетный образец трактора МТЗ-80 с системой питания, модернизированной для работы на природном газе.
Апробация работы. Основные результаты и материалы диссертации докладывались и обсуждались на научных конференциях Вятской государственной сельскохозяйственной академии в 2000...2003 г. г., на 12-ой научно-практической конференции вузов Поволжья и Предуралья «Улучшение эксплуатационных показателей мобильной энергетики», 2001 г. (г. Киров), на 9-ой Международной научно-практической конференции «Актуальные про-
блемы управления качеством производства и эксплуатации автотранспортных средств», 2002 г. (ВлГУ, г. Владимир), на Международной научно-технической конференции «Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей», 2002, 2003 г. г. (Санкт-Петербургский государственный аграрный университет, г. Санкт-Петербург-Пушкин), на Международной научно-практической конференции «Здоровье - Питание - Биологические ресурсы», 2002 г. (НИИСХ Северо - Востока, г. Киров), на ВВЦ России, 2002 г. (г. Москва) и на научном совете по механизации сельского хозяйства Академии наук Татарстана, 2003 г. (г. Казань).
Результаты работы демонстрировались на Российской агропромышленной выставке «Золотая осень 2002» и отмечены бронзовой медалью и дипломом третьей степени победителя смотра - конкурса «Прогрессивные виды сельскохозяйственной техники и оборудования для АПК», 2002 г., ВВЦ (г. Москва).
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 21 печатной работе.
