авторефераты диссертаций www.z-pdf.ru
БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
 

На правах рукописи

Ливанский Алексей Николаевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ДИЗЕЛЯ ПРИ

ИСПОЛЬЗОВАНИИ ВОДОТОПЛИВНЫХ ЭМУЛЬСИЙ,

ПОЛУЧЕННЫХ УЛЬТРАЗВУКОВЫМ МЕТОДОМ

05.04.02. – Тепловые двигатели

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

МОСКВА 2015

«Московский

университет

двигатели».

автомобильно-дорожный

государственный

технический

(МАДИ)» на кафедре «Теплотехника и автотракторные

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент

Дунин Андрей Юрьевич

Официальные

Патрахальцев Николай Николаевич,

оппоненты:

доктор технических наук, профессор,

ФГАОУ ВО «Российский университет дружбы

народов», кафедра «Теплотехника и тепловые

двигатели», профессор

Ерохов Виктор Иванович,

доктор технических наук, профессор,

ФГБОУ ВО «Московский государственный

машиностроительный университет (МАМИ)»,

кафедра «Автомобильные и тракторные

двигатели», профессор

Ведущее предприятие:

ФГБОУ ВО «Российский государственный

аграрный университет - МСХА имени К.А.

Тимирязева»

Защита состоится «16» февраля 2016 г. в 1000 часов на заседании

диссертационного совета Д 212.126.04 при федеральном государственном

бюджетном образовательном учереждении высшего профессионального

образования

«Московский

автомобильно-дорожный

государственный

технический университет (МАДИ)» по

адресу: 125319, Москва,

Ленинградский проспект, 64, ауд. 40

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ и на

сайте http://madi.ru.

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном

образовательном учреждении высшего профессионального образования

«___» _____________ 2015 г.

Автореферат разослан

Ученый секретарь

диссертационного совета

Хазиев А.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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:

1. 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.

2. Сформулировать требования, предъявляемые к ультразвуковой

установке транспортного средства. Разработать ее конструкцию и

изготовить экспериментальный образец.

3. 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:

1. Результаты

расчетной

оценки

параметров

впрыскивания

топливной системой разделенного типа при ее работе на водотопливной

эмульсии и ДТ.

2. 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.

3. Требования,

предъявляемые

к

ультразвуковой

установке

транспортного

средства.

Конструкция

и

описание

изготовленного

экспериментального образца.

4. Результаты

экспериментального

исследования

зависимости

свойств водотопливной эмульсий от ее массового состава и режимов

работы экспериментальной ультразвуковой установки.

5. Результаты экспериментального исследования влияния состава

водотопливной эмульсии, полученной с применением экспериментальной

ультразвуковой установки, на экологические и экономические показатели

дизеля.

6. 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной

работы и перспективность разработки усовершенствованной технологии

применения водотопливных эмульсий (ВТЭ) в качестве топлива для

дизелей, заключающейся в применении ультразвука для подготовки ВТЭ и

адаптации конструкции топливной системы дизеля при их использовании.

В первой главе дан обзор основных проблем современного

двигателестроения, связанных с обеспечением требуемой экологичности и

экономичности дизелей. Достижение действующих и перспективных

экологических требований, таких как Евро-6, обуславливает применение

комплекса

высокозатратных

мероприятий:

повышения

давления

впрыскивания более 250 МПа, увеличения избыточного давления наддува

свыше 0,3 МПа и степени рециркуляции отработавших газов до 50%.

Применение смесевых топлив и коррекция их состава в зависимости

от

режима работы

двигателя позволяет дополнительно

улучшить

экологические показатели дизеля.

Выбор ВТЭ обоснован взрывным парообразованием капель воды при

сгорании, которое улучшает смесеобразование. Однако добавление воды в

дизельное топливо приводит к изменению физических свойств, влияющих

на процесс топливоподачи. Поэтому применение ВТЭ требует разработки

рекомендаций по изменению конструкции топливной аппаратуры дизеля с

учетом требуемого увеличения цикловой подачи.

Таблица 1 –

№ серии

1

2

3

4

Программа расчетного исследования

Вид топлива

и его массовый

состав

ДТ, Kв = 0

ВТЭ, Kв = 0,3

ВТЭ, Kв = 0,2

ВТЭ, Kв =0,1

ρт, кг/м3

0,825

0,871

0,855

0,840

Современные ультразвуковые технологии позволяют разработать

системы эмульгирования, которые обеспечивают эмульсии требуемую

стабильность. При этом они отличаются малыми габаритами и могут

устанавливаться на транспортное средство.

Для совершенствования технологии применения ВТЭ в дизелях

предложено разработать проточную малогабаритную ультразвуковую

установку, монтируемую на борту транспортного средства, с учетом опыта

создания существующих образцов, применяемых в косметической и

фармакологической промышленности.

Вторая глава содержит расчетные исследования по адаптации

конструкции топливоподающей аппаратуры дизеля 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.

Исследования

проведены

с

применением

программы

гидродинамического

расчёта,

разработанной

в

МАДИ.

В

расчетах

принималось, что исследуемая топливная система дизеля 2Ч 10,5/12

укомплектована форсунками 6Т2 и насосом УТНИ с диаметром и ходом

плунжера 10 мм производства ОАО «НЗТА».

Сравнивались два варианта топливной аппаратуры: штатная (ТА-1) с

объёмом разгрузки нагнетательного клапана Vр=50 мм3, и изменённая (ТА-2)

с увеличенным Vp до 70 мм3 для устранения дополнительных впрыскиваний

при подаче ВТЭ на режимах работы дизеля 2Ч 10,5/12, близких к

максимальной мощности и максимальному крутящему моменту.

Расчетные исследования проводились при условии работы на

дизельном топливе и ВТЭ различного состава (таблица 1) для каждого

варианта топливной системы (ТА-1 и ТА-2) на номинальной частоте

вращения коленчатого вала дизеля 2Ч 10,5/12 (nк=1000 мин-1) и частоте,

соответствующей максимальному крутящему моменту (nк=750 мин-1).

Массовая доля воды Kв в ВТЭ определялась как:

Кв =

,

(1)

GT +

где Gв и Gт – масса соответственно воды и топлива в известном объеме смеси.

Рисунок 1 – Результаты расчета рабочего процесса ТА-1, работающей на ВТЭ

(Kв =0,3; qц=85,3 мм3, nк=1000 мин-1):

1 – рф; 2 – F(t); 3 – dq/dϕ

dq

d

8

4

0

мм3/град

f

Цикловая

подача

ВТЭ

подбиралась

на

основании

необходимости сохранения общей теплотворной способности смеси (в

сравнении с дизельным топливом), с учетом расчетных значений

плотности эмульсий (таблица 1), которая оценивалась по зависимости

(2):

ρэ =

,

(2)

ρв - Kв ρв + Kв ρT

где ρэ, ρт, ρв – плотность соответственно эмульсии, дизельного топлива

и воды.

Необходимые для расчета значения, вязкости υ и скорости звука в

топливе a получены экспериментально (методика и результаты

исследования описаны в главе 3 диссертации).

Расчетные исследования топливной аппаратуры предусматривали

оценку вероятности возникновения дополнительных впрыскиваний в

штатном варианте топливной аппаратуры ТА-1.

Как показали результаты расчета на режиме nк=1000 мин-1, по

сравнению с работой на дизельном топливе при подаче ВТЭ с

массовым содержанием воды от 10 (Kв = 0,1) до 30 % (Kв = 0,3) ТА-1

склонна

к

дополнительным

неконтролируемым

впрыскиваниям

топлива, следующие за основной подачей.

На рисунке 1 показаны результаты расчета рабочего процесса ТА-

1: F(t) – прямая волна давления, идущая от топливного насоса высокого

давления к форсунке; рф – давление у форсунки; dq/dϕ – дифференциальная

характеристика впрыскивания.

ρTρв

а)

б)

Рисунок 2 – Дифференциальные характеристики впрыскивания ТА-2:

 - ДТ; - - - - - ВТЭ с Kв=0,3;

а – номинальный режим работы дизеля 2Ч 10,5/12 (nк =1000 мин-1);

б – режим максимального крутящего момента дизеля 2Ч 10,5/12 (nк =750 мин-1)

Результаты

дальнейших

расчетных

исследований

показали

незначительное отличие характеристик и давлений впрыскиваний

Из рисунка 1 видно, что при работе ТА-1 на режиме nк=1000 мин-1 и

qц=85,3 мм3 и подаче ВТЭ с массовым содержанием воды 30% (Kв=0,3)

при ϕ49,5° ПКВ наблюдается повторное повышение давления pф, что

обусловлено волновыми процессами в системе и повторным нарастанием

амплитуды прямой волны F(t). В результате с момента времени ϕпкв50,5°

ПКВ давление pф становится больше давления, соответствующего

началу подъема

иглы распылителя,

происходит

дополнительное

впрыскивание топлива.

С возрастанием содержания воды в ВТЭ с Kв=0,1 до Kв=0,3

увеличивается величина qц и продолжительность дополнительного

впрыскивания.

На режиме nк=750 мин-1 при работе на ВТЭ различного состава

дополнительных впрыскиваний на обнаружено.

Сравнение характеристик впрыскивания, полученных при работе ТА-2

на дизельном топливе и ВТЭ с учетом подбора qц для сохранения общей

теплотворной способности смеси, показало что, при изменении массовой

доли воды в эмульсии с Kв=0 (дизельное топливо) до Kв=0,3 происходит

увеличение цикловой подачи и продолжительности впрыскивания ϕвп

(рисунок 2). При этом скорости нарастания подачи смеси в камеру сгорания

практически сохраняются. В результате на номинальном режиме работы

дизеля 2Ч 10,5/12 объемная доля дизельного топлива, поданного за время

задержки воспламенения τi, уменьшается с 72,5 до 57 %, а цикловая подача

увеличивается с 63 до 85,3 мм3.

dq

df

мм3/град

dq

df

мм3/град

предложенной комплектации ТА-2 от исходной ТА-1. Так на режиме

номинальной мощности дизеля 2Ч 10,5/12 с изменением Kв с 0 до 0,3

характерно увеличение:

ϕвп с 10,3 до 12,2° ПКВ для топливной аппаратуры ТА-1 и ϕвп с

10,4 до 12,4° ПКВ для ТА-2;

максимального значения давления в подыгольном объеме р’ф мах с

25,9 до 34,2 МПа для ТА-1 и р’ф мах с 25,1 до 33,6 МПа для ТА-2;

среднего значения давления в подыгольном объеме р’ф ср с 14,1

до 18 МПа и с 13,7 до 17,4 МПа соответственно для ТА-1 и для ТА-2.

Проведенные расчетные исследования показали обоснованность

увеличения

объема

разгрузки

нагнетательного

клапана

топливной

аппаратуры до 70 мм3 при применении ВТЭ.

Третья

глава

посвящена

разработке

конструкции

экспериментального образца ультразвуковой установки для получения

топливных эмульсий с требуемыми физико-химическими свойствами на

борту

транспортного

средства.

Проведены

экспериментальные

исследования зависимости свойств ВТЭ от ее состава и режима работы

экспериментальной ультразвуковой установки.

Анализ существующих конструкций ультразвуковых смесителей

выявил

ряд

общих

недостатков:

конструктивная

особенность

оборудования предусматривает использование в качестве источников

ультразвука

магнитострикционных

преобразователей,

отличающихся

значительными габаритами и требующих дополнительного охлаждения,

что осложняет подключение к топливной системе автомобиля.

На основании анализа литературных источников установлены

следующие требования к ультразвуковой установке:

низкое энергопотребление от 200 до 500 Вт;

получение стабильных ВТЭ на всех режимах работы дизеля;

малые

габариты

с

учетом

необходимости

установки

на

транспортном средстве;

низкая трудоемкость работ по монтажу системы на транспортном

средстве.

В лаборатории электрофизических методов обработки кафедры

«Технология конструкционных материалов» МАДИ разработан и создан

опытный

образец

ультразвуковой

установки

ЛЭФМО-УлЭм,

удовлетворяющий приведенным требованиям.

Установка (рисунок 3) 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.

Рисунок 3 – Установка для получения топливных смесей ЛЭФМО –

УлЭм

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 необходимый поток эмульсии Q. При этом кран 17

находится либо в закрытом, либо открытом состоянии в зависимости от того,

подключена ли установка к системе питания двигателя. После окончания

цикла технологической обработки, 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.

Предложенная конструкция ультразвуковой установки компактна,

легко монтируется на транспортном средстве и подключается к системе

подачи

топлива,

что

позволяет

отказаться

от

использования

дополнительных механизмов эмульгирования.

При испытании установка обеспечила необходимую стабильность

эмульсии.

Расчетная

производительность

установки

оказалась

достаточной для подготовки и подачи дизелю ВТЭ во время

проведения моторных испытаний.

С

использованием

разработанной

установки

проведены

исследования физических свойств эмульсий, направленные на:

оценку основных свойств топливных эмульсий на соответствие

требованиям ГОСТ 305-82 и расчетным значениям;

исследование влияния акустико-технологических параметров

ультразвукового воздействия на свойства эмульсий.

На основании анализа нормативной документации по определению

свойств дизельного топлива и особенностей ВТЭ была разработана методика

по оценке полученных образцов эмульсий на соответствие требованиям по

следующим свойствам: вязкость, плотность, кислотность. Дополнительно

оценивались низкотемпературные свойства и коррозионная активность ВТЭ.

Для проверки значений плотности ВТЭ, использованных в расчетах

(глава 2) были проведены исследования её изменения в зависимости от

режима обработки и массовой доли воды. Программа эксперимента

включала исследование плотности при различных температурах (рисунок

4). Измерения проводились при температуре от 20 до 80оС, шаг составлял

10оС. Были исследованы несколько видов топлив: дизельное топливо; ВТЭ

с массовым содержанием воды 10, 20, 30%.

Полученные значения плотности ВТЭ соответствуют расчетным

значениям, определенным в главе 2 (таблица 2). Сходимость результатов

расчетных и экспериментальных значений косвенно свидетельствует об

однородности получаемых топливных эмульсий.

Экспериментальные зависимости скорости звука от температуры для

ВТЭ (рисунок 5) использовались в расчётах рабочего процесса топливной

системы, проведённых для подбора её параметров (глава 2).

Анализ полученных результатов физических свойств топливных

эмульсий позволил определить зависимость вязкости ВТЭ от режимов

ультразвуковой обработки с учетом массовой доли воды (4):

,

(4)

где: ν – вязкость водотопливной эмульсии, сПз; ξ – амплитуда

ультразвуковых колебаний, мкм; τU – продолжительность обработки, с.

Массовая

доля воды

ρрасч, кг/м3

ρэ, кг/м3

0 (ДТ)

0,1

0,2

0,3

0,825

0,839

0,855

0,871

0,823

0,840

0,854

0,871

Рисунок 4 – Зависимость плотности топлив от температуры:

1 – ДТ; 2 – ВТЭ с Kв =0,1; 3 – ВТЭ с Kв =0,2; 4 – ВТЭ с Kв =0,3

Таблица 2 – Сопоставление расчетных и экспериментальных значений

плотности топливных эмульсий

Рисунок 5 – Зависимость скорости звука в топливе:

1 – ДТ; 2 – ВТЭ с Kв =0,1; 3 – ВТЭ с Kв =0,2; 4 – ВТЭ с Kв =0,3

Погрешность значений вязкости, полученных по математической

зависимости относительно экспериментальных данных, составила 4,95%.

Полученная зависимость позволяет определить вязкость ВТЭ при

различных

режимах

ультразвуковой

обработки

для

управления

ультразвуковой установкой при совместной работе с дизелем. Полученные

при помощи математической модели значения вязкости эмульсий

использовались в расчётах рабочего процесса топливной системы.

В четвертой главе даны результаты исследования влияния состава

ВТЭ, полученной с применением разработанной экспериментальной

ультразвуковой установки, на экологические и экономические показатели

дизеля. Моторные испытания проведены на дизеле 2Ч 10,5/12 с рабочим

объемом 2,08 л, степенью сжатия 16,5 и номинальной частотой вращения

коленчатого

вала

2000

мин-1.

Топливная

система

дизеля

была

модернизирована в соответствии с разработанными рекомендациями,

представленными в главе 2.

Программа моторных исследований предусматривала определение

нагрузочных

характеристик,

при

значениях

установочного

угла

опережения впрыскивания φо.вп 16, 22 и 30о ПКВ до ВМТ при работе на ДТ

и ВТЭ с массовым содержанием воды 10, 20 и 30 %. Эксперименты

проводились на скоростном режиме 1500 мин-1, соответствующем частоте

вращения коленчатого вала n при которой достигается максимальный

крутящий момент дизеля 2Ч 10,5/12. Из анализа полученных ранее

результатов испытаний этот режим рассматривался как наиболее тяжелый

с точки зрения образования сажи.

Результаты испытаний двигателя на различных топливах при

φо.вп = 22о ПКВ до ВМТ представлены на рисунке 6.

Увеличение массовой доли воды в ВТЭ приводит к снижению

содержания в отработавших газах сажи С и оксидов азота NOX. Это снижение

наблюдалось на всех исследованных значениях установочного угла.

Введение в камеру сгорания ВТЭ снизило температуру в зоне

сгорания водотопливной эмульсии за счет энергии, затрачиваемой на

парообразование, что привело к снижению образования оксидов азота NOX

и температуры отработавших газов tr.

Наибольший

эффект

от

использования

ВТЭ

достигается

при

φо.вп = 16о ПКВ до ВМТ: снижение выбросов NOX на всем диапазоне нагрузок

составило 40%, оно сопровождалось снижением сажи и температуры

отработавших газов по сравнению с φо.вп = 22 и 30о ПКВ до ВМТ.

Снижение содержания сажи в отработавших газах при увеличении Кв

составляет от 10% до 25% в зависимости от установочного угла

опережения впрыскивания. Это вызвано улучшением смесеобразования за

счет парообразования воды в эмульсии и положительным влиянием воды

на окисление сажи. При высокой температуре известна следующая

химическая реакция:

С + Н2О = Н2 + СО -131

кДж.

Рисунок 6 – Зависимость температуры отработавших газов tг и содержания

в них NOX и С от среднего эффективного давления pе дизеля

2Ч 10,5/12 (n = 1500 мин-1, φо.вп = 22о ПКВ до ВМТ):

1 – ДТ; 2 – Kв =0,1; 3 – Kв =0,2; 4 – Kв =0,3

Этот процесс не только уменьшает выбросы сажи, но и делает

процесс

сгорания

более

эффективным

с

позиции

топливной

экономичности. Дальнейшее увеличение Kв приводит к увеличению

продолжительности впрыскивания с 10,4 до 12,5о ПКВ, что увеличивает

роль диффузионного сгорания. В результате для исследованного дизеля

эффект по уменьшению содержания сажи в отработавших газах от

применения ВТЭ с Kв≥0,3 уменьшается.

Оценка экономических показателей дизеля при работе на ВТЭ

проводилась по показателю удельного эффективного расхода дизельного

топлива ge.

Для φо.вп = 16 и 30о ПКВ до ВМТ в сравнении с φо.вп = 22о ПКВ до

ВМТ характерно увеличение удельного расхода дизельного топлива.

При φо.вп = 22 о ПКВ до ВМТ удельный эффективный расход топлива

при работе на эмульсиях снижался. Максимальное снижение ge по

сравнению с работой на дизельном топливе составляет 5% (15 г/кВт·ч) и

наблюдается при работе на ВТЭ с Kв=0,1 на режиме ре=0,60 МПа.

Анализ зависимости ge от Kв и φо.вп показал следующее:

при увеличении установочного угла опрежения впрыскивания и

работе на ВТЭ минимальные значения ge сместились в сторону

максимальных нагрузок;

на режимах, близких к ре мах, при работе дизеля на ВТЭ ge меньше,

чем при работе на дизельном топливе.

На основе полученных результатов сделан вывод, что использование

ВТЭ, полученных с использованием ультразвука, позволило улучшить

экономичность дизеля. Проведенные моторные испытания дизеля 2Ч

10,5/12 показали, что наилучший с позиции снижения удельного

эффективного расхода топлива режим работы дизеля на водотопливных

эмульсиях с Kв = 0,1 … 0,2 при φо.вп = 22о ПКВ до ВМТ.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

В

результате

выполнения

работы

получено

улучшение

экологических и экономических показателей дизеля, работающего на

водотопливной эмульсии (ВТЭ). Цель достигнута совершенствованием

рабочего процесса и конструкции топливной системы. Получены

следующие научно-практические результаты:

1. Проведена расчетная оценка параметров впрыскивания штатной

топливной системой (ТС) разделенного типа дизеля 2Ч 10,5/12 при подаче

ВТЭ с массовым содержанием воды 10 (Kв=0,1), 20 (Kв=0,2) и 30 %

(Kв=0,3) на оборотах номинальной мощности и максимального крутящего

момента исследуемого двигателя. Для устранения нежелательного явления

дополнительного впрыскивания топлива, возникающего на режиме

номинальной мощности при подачи ВТЭ и усиливающегося с увеличением

доли

воды

в

ней,

рекомендовано

увеличить

объем

разгрузки

нагнетательного клапана с 50 мм3 (штатная ТС) до 70 мм3.

2. Предложена конструкция и создан экспериментальный образец

ультразвуковой установки транспортного средства для получения ВТЭ в

линии низкого давления топливной системы дизеля, управления ее

составом и свойствами. Установка включает прямоугольный волновод

изгибных колебаний. Эмульгирование осуществляется за счет мощных

ультразвуковых колебаний, возникающих в жидкости во внутренней

полости волновода.

3. Входе

экспериментальных

исследований

с

использованием

разработанной

ультразвуковой

установки

получены

зависимости

плотности и вязкости ВТЭ, а также скорости звука в ней от массового

состава

эмульсии

и

режима

ее

получения.

На

основании

экспериментальной

зависимости

вязкости

ВТЭ

от

параметров

ультразвуковой

обработки

определены

наилучшие

значения

технологических параметров для получения ВТЭ соответствующих

требованиям предъявляемым к моторным топливам.

4. Проведенные моторные испытания дизеля 2Ч 10,5/12 подтвердили

эффективность применения ВТЭ, полученной на экспериментальной

ультразвуковой установке, как одного из инструментов для улучшения

экологических и экономических показателей дизеля:

для снижения выбросов сажи С и оксидов азота NOx на всем

исследованном диапазоне нагрузок наилучшим являются ВТЭ с Kв=0,3 при

работе двигателя с установочным углом опережения впрыскивания

φв.оп=22о ПКВ до ВМТ для С и φв.оп=16о ПКВ до ВМТ для NOx

соответственно;

максимальное снижение ge по сравнению с работой на дизельном

топливе составляет 5% и наблюдается при работе на ВТЭ с Kв=0,1 при

n=1500 мин-1, ре=0,60 МПа и φо.вп = 22 о ПКВ до ВМТ.

5. На

основании

анализа

полученных

данных

разработаны

рекомендации по выбору режима работы дизеля. Так, наилучшим с точки

зрения снижения выбросов (уменьшение содержания сажи в 1,25 раза и

NOx в 1,2 раза) токсичных веществ с одновременным улучшением

экономичности двигателя 2Ч 10,5/12 (ge снижается на 3 … 5%), является

работа двигателя на ВТЭ с Kв=0,2 при φв.оп=22о ПКВ.

Публикации в рецензируемых научных изданиях

1. Ливанский, А.Н. Ультразвуковое эмульгирование нефти и

нефтепродуктов / А.Ю. Дунин, Б.А. Кудряшов, А.Н. Ливанский, В.Д.

Титков

//

Автоматизация,

телемеханизация

и

связь

в

нефтяной

промышленности – Москва, 2011, №11, с. 28-32.

2. Ливанский, А.Н. Перспективы использования ультразвукового

эмульгирования в промышленности / Б.А. Кудряшов, А.Н. Ливанский, Р.И.

Нигметзянов // Наукоёмкие технологии в машиностроении – Москва, 2011,

№6, с. 25-28.

3. Ливанский, А.Н. Ультразвуковой диспергатор для получения

дизельных топливных эмульсий / А.И. Дубинин, А.Ю. Дунин, А.Н.

Ливанский, Р.И. Нигметзянов, В.Д. Титков, Д.С. Фатюхин // Вестник

Московского автомобильно-дорожного государственного технического

университета (МАДИ) – Москва, 2012, №1(28), с. 76-81.

4. Ливанский, А.Н. Разработка математической модели реактора

получения синтез-газа из отходов лесной промышленности / А.В. Козлов,

А.Н. Ливанский, А.С. Теренченко // Вестник Московского автомобильно-

дорожного государственного технического университета (МАДИ) –

Москва, 2012, №2(29), с. 105-110.

5. Ливанский, А.Н. Перспективы применения водно-органических

эмульсий в качестве технологических моющих сред / Б.А. Кудряшов, А.Н.

Ливанский, А.Н. Сенин // Наукоёмкие технологии в машиностроении –

Москва, 2013, №3, с. 19-22.

6. Ливанский, А.Н. Улучшение показателей дизеля, работающего на

водотопливной эмульсии / М.Г. Шатров, Б.А. Кудряшов, А.Ю. Дунин, А.А.

Езжев, А.Н. Ливанский // Известия Волгоградского государственного

технического университета: межвуз. сб. науч.ст. – Волгоград: ВолгГТУ,

2013. – №21(124), Серия "Наземные транспортные системы". Вып. 7 – С.

62-66.

Публикации в других научных изданиях

7. Ливанский, А.Н. Получение топливных эмульсий для ДВС с

помощью ультразвука / А.Ю. Дунин, Б.А. Кудряшов, А.Н. Ливанский //

Сборник трудов Научной конференции «Сессия научного совета РАН по

акустике и XXII сессия РАО», Раздел: ультразвук и ультразвуковые

технологии – Москва, 2010, С.77-80.

8. Ливанский, А.Н. Получение эмульсии ультразвуковым способом

/ А.Ю. Дунин, А.Н. Ливанский, Р.И. Нигметзянов, С.В. Яшенкин //

Современные проблемы производства и ремонта в промышленности и на

транспорте: материалы 10-го Международного научно-технического

семинара – Киев, 2010, С. 59-61.

9. Ливанский, А.Н. Ультразвуковая технологическая установка для

получении топливных эмульсий / И.В. Багров, А.Ю. Дунин, Б.А.

Кудряшов, А.Н. Ливанский // Сборник трудов Научной конференции

«Сессия научного совета РАН по акустике и XXIV сессия РАО», Раздел:

ультразвук и ультразвуковые технологии – Москва, 2011, С. 96-99.

10. Ливанский, А.Н. Перспективы применения ультразвука для

повышения качества эмульсий в промышленности / Б.А. Кудряшов, А.Н.

Ливанский, Р.И. Нигметзянов // Новые и нетрадиционные технологии в

ресурсо-

и

энергосбережении:

материалы

научно-технической

конференции – Киев, 2011, С. 91-95.

11. Ливанский, А.Н. Исследование влияния массового состава на

физические свойства топливных эмульсий / Б.А. Кудряшов, А.Н.

Ливанский, Р.И. Нигметзянов // Современные проблемы производства и

ремонта

в

промышленности

и

на

транспорте:

материалы

12-го

Международного научно-технического семинара – Киев, 2012, С..

12. Ливанский, А.Н. Эмульгирование тяжелых фракций нефти и

нефтепродуктов / Б.А. Кудряшов, А.Н. Ливанский // Сборник трудов

Научной конференции «Сессия научного совета РАН по акустике и XXVI

сессия РАО», Раздел: ультразвук и ультразвуковые технологии – Москва,

2012.

13. Ливанский, А.Н. Применение водно-органических эмульсий при

ультразвуковой очистке / Б.А. Кудряшов, А.Н. Ливанский, Д.Д. Панасенко

// Современные проблемы производства и ремонта в промышленности и на

транспорте: материалы 13-го Международного научно-технического

семинара – Киев, 2013.



Похожие работы:

«ГОЛОВКО Юрий Евгеньевич ОРИЕНТИРОВАННАЯ БИБЛИОТЕКА КРИТИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ РАСЧЕТНОГО ПРЕДСКАЗАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЯДЕРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ Специальность 05.14.03 – Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук ОБНИНСК 2015 Работа выполнена в АО Государственный научный центр Российской Федерации – Физико–энергетический институт имени...»

«Пугачёв Александр Олегович ЩЁТОЧНЫЕ УПЛОТНЕНИЯ В РОТОРНЫХ СИСТЕМАХ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ 05.07.05 Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук Москва 2015 Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет). Научный консультант: доктор...»

«Козлова Людмила Евгеньевна РАЗРАБОТКА НЕЙРОСЕТЕВОГО НАБЛЮДАТЕЛЯ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ РОТОРА В ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ ПО СХЕМЕ ТРН АД Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Томск – 2015 Работа выполнена в федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего образования Национальный исследовательский Томский политехнический университет Научный руководитель: кандидат...»





 
© 2015 www.z-pdf.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.