Разработка системы питания дизеля, работающего на диметилэфире

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

ТАШКЕНТСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ

На провах рукаписи

УДК: 621.43.03

Диссертация на соискание академической степени магистра

Разработка системы питания дизеля, работающего на диметилэфире

5А310605 - испытание и эксплуатация двигателей внутреннего сгорания

Попов Евгений Алекандрович

Научный руководитель:

к.т.н., доц. С.А. Калауов

Ташкент-2014



Оглавление

Список принятых сокращений

Условные обозначения

Аннотация

Введение

1. Анализ выполненных работ. Современное состояние. Выбор цели и задач исследования

1.1 Сравнительный анализ свойств диметилэфира и дизельного топлива

1.2 Анализ работы современных дизелей, работающих на диметилэфире

2. Теоретическое исследование способов улучшения эксплуатационных показателей дизелей, работающих на диметилэфире

2.1 Методика исследования

2.2 Тепловой расчет и построение внешней скоростной характеристики двигателя с различными системами питания

Выводы по главе

3. Экспериментальное исследование дизеля, работающего на диметилэфире

3.1 Объект испытаний

3.2 Методика проведения испытаний

3.3 Обработка экспериментальных данных

Выводы по главе

Общие выводы и рекомендации

Список использованной литературы



Список принятых сокращений

АЗС - автозаправочная станция

АГНС - авто, газонасосные станции

ОС - окружающая среда

ООС - охрана окружающей среды

ДМЭ - диметилэфир

ДТ - дизельное топливо

ЛВД - линия высокого давления

ЛНД - линия низкого давления

ТВНД - топливный насос высокого давления

ТС - топливная система

ТЭР - топливоэнергетические ресурсы

ЦЧ - цетановое число

ОГ - отработавшие газы

ПГ - природный газ

СПГ - сжатый природный газ

СжПГ - сжиженный природный газ

СНГ - сжиженный нефтяной газ

ГФ - газовая фаза

ЭБУ - электронный блок управления

ВСХ - внешняя скоростная характеристика

ГБО - газобалнное оборудование

LPi - система впрыска газа в жидкой фазе



Условные обозначения

N -- мощность (N_i - индикаторная, N_e - эффективная )

? -- степень сжатия

с -- плотность

щ -- угловая скорость

d -- диаметр поршня

s -- ход поршня

ц -- угол поворота вала ТВНД

б -- коэффициент избытка воздуха

Gт -- расход топлива

Ge -- расход топлива

M_к-- максимальный крутящий момент

n_min--минимальная устойчивая частота вращения

n_н -- номинальная частота вращения вала двигателя

n_N -- частота вращения вала двигателя, которой соответствует максимальное значение мощности Ne _max

n_M -- частота вращения вала двигателя при максимальном значении крутящего момента M_{к max}

n_х.max --максимальная частота вращения при работе двигателя на холостом ходу

n_разн -- максимально возможная частота вращения вала двигателя



Аннотация магистерской диссертации на тему: «Разработка системы питания дизеля, работающего на диметилэфире»

Актуальность темы. Актуальность работы заключается в снижении негативного влияния автомобиля на экологию и население. Одним из путей решения этих проблем является использование альтернативных экологически более чистых видов моторного топлива. Интенсивные работы в этом направлении ведутся во всех развитых странах мира. Одним из наиболее перспективных альтернативных топлив для дизелей является диметилэфир (ДМЭ).

Цель и задачи работы. Целью работы является изучение и анализ свойств ДМЭ, как дизельного топлива, способы улучшения эксплуатационных показателей, дизеля работающего на ДМЭ.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- провести аналитический обзор ранее проведенных исследований по использованию ДМЭ, как моторного топлива;

- провести теоретическое исследование ДМЭ, как моторного топлива;

- провести экспериментальное исследование по применению ДМЭ, в качестве моторного топлива;

- провести совместный анализ полученных данных теоретического и экспериментального исследований;

- разработка выводов и рекомендаций по использованию ДМЭ, как моторного топлива.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является дизель, работающий на ДМЭ. Предметом исследования являются конструктивные особенности систем питания дизелей, работающих на ДМЭ.

Методы и методология исследования. Проведены теоретические исследования, с использованием математического аппарата регрессионного анализа, реализованного на ЭВМ, выполнены эксплуатационные испытания.

Научная новизна исследования. На основании изучения и практического анализа дизельного двигателя работающего на ДМЭ, с различными системами питания, выполнено научно обоснованное совершенствование системы питания дизеля, позволяющее уменьшить уровень вредных веществ в отработанных газах и улучшить его показатели.

Практическая и теоретическая значимость исследования. Замена дизельного топлива на экологически чистый ДМЭ, позволит заменить дорогостоящее дизельное топливо, повысить его мощностные и экологические показатели, снизить выбросы вредных веществ в отработавших газах двигателя.

Структура и состав диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и выводов по ним, общих выводов и списка использованной литературы.

Основные результаты исследования. Расчетно--экспериментальное обоснование необходимости применения ДМЭ в качестве моторного топлива для дизельного двигателя, с целью увеличения мощности базового двигателя и его экологических показателей.

Краткая обобщенная формулировка выводов и предложений. Проведен анализ состояния вопроса, сформулированы цели и задачи исследования в этом направлении, проведены экспериментальные исследования, проанализированы их результаты, определены взаимосвязи расхода топлива и выброса токсичных компонентов двигателем. Разработан способ перевода дизеля, на питание ДМЭ, путем установки систем ГБО и подачи ДМЭ во впускной трубопровод двигателя, с целью повышения мощностных и экологических показателей двигателя.

Научный руководитель к.т.н., доц. С.А. Калауов

Студент магистратуры Е.А. Попов



Abstract from the master`s dissertation: "The development of the power system operating on diesel dimethylether"

MINISTRY OF HIGHER AND SEKONDDARY EDUCATION OF THE REPUBLIC UZBEKISTAN

TASHKENT AUTOMOBILE AND ROAD INSTITUTE

Faculty: Automobile transport maintenance

Department: Autotractor engines and transport ecology

Academic year: 2012-2014

Graduate student:

Popov Evgeniy Aleksandrovich

Research supervisor: Ph.D., doc. Kalauov Saydulla Aymahanovich

Specialty: 5A310605 - "Test and operation of internal combustion engines"

Relevance of the topic. Relevance of the work is to reduce the negative impact of the vehicle on the environment and population. One way of solving these problems is the use of cleaner alternative motor fuels. Intensive work in this direction are in all developed countries. One of the most promising alternative fuels for diesel engines is dimethyl ether (DME).

Purpose and objectives. The aim is to study and analyze the properties of DME as diesel fuel, ways to improve operational performance, diesel engine running on DME.

To achieve this goal it is necessary to solve the following problems:

- an analytical review of previous studies on the use of DME as a motor fuel;

- conduct theoretical study of DME as a motor fuel;

- conduct a pilot study on the use of DME as a fuel;

- conduct a joint analysis of the data of theoretical and experimental studies;

- development of conclusions and recommendations for the use of DME as a motor fuel.

Object and subject of study. Object of study is diesel running on DME. Subject of research are the design features of diesel power systems running on DME.

Methods and research methodology. Theoretical studies using mathematical apparatus regression analysis implemented on a computer, are made operational tests.

Scientific novelty of the study. Based on the study and practical analysis of diesel engine running on DME with different power systems, carried out scientifically based improvement of diesel injection, which allows to reduce the level of harmful substances in the exhaust gas and to improve its performance.

Practical and theoretical significance of the research. Replacement of diesel fuel environmentally friendly DME will replace costly diesel fuel to increase its cardinality and environmental performance, reduce emissions of harmful substances in the exhaust gases of the engine.

The structure and composition of the dissertation. The thesis consists of an introduction, three chapters and conclusions thereon, general conclusions and bibliography, appendices.

The main results of the study. Numerical and experimental justification for the use of DME as a fuel for diesel engines, to increase the capacity of the base engine and its environmental performance.

Brief generalized formulation of conclusions and proposals. The analysis of the issue, set out the aims and objectives of the research in this direction, experimental studies, analyzed their results, to determine the relationship of fuel consumption and emissions of toxic components of the engine. A method of translation of diesel powered DME, by installing systems and GBE DME feed into the intake manifold of the engine, to improve the cardinality and environmental performance of the engine.

Research supervisor Ph.D., doc S.A.Kalauov

Graduate student E.A.Popov



Введение

Мы не научились еще по-хозяйски бережно относиться к уникальному, данному нам природой, невоспроизводимому ресурсу - нефти, газовому конденсату, природному газу и другим топливно-энергетическим ресурсам. По-прежнему далеко не рациональной остается структура их использования, большие объемы сжигаются как топливо. Недостаточно ведется работа по поиску и внедрению альтернативных энергетических ресурсов. В целом в этой сфере накопилось много проблем, требующих своего безотлагательного решения [1].

В результате реализации активной инвестиционной политики в отчетном году введены в строй десятки современных предприятий. В их числе новые высокотехнологические мощности по производству автомобильных двигателей на СП «Дженерал Моторс Павертрэйн Узбекистан», и ряд других производств [1].

Динамичное развитие общества обеспечивается производством различных продукций и услуг, материальной основой которых являются природные ресурсы. двигатель диметилэфир дизельный

Хотя на современном уровне развития науки и техники перспективными энергоносителями считаются два источника - управляемый термоядерный синтез и солнечная энергия, тем не менее, человечеством всё больше и больше истощаются природные ресурсы.

В условиях снижения добычи нефти правительство Узбекистана активизирует процесс налаживания производства нефтепродуктов из альтернативных источников сырья - синтетического топлива (процесс GTL - gas to liquid), переработки сланцевой руды и использования метанола. В 2009 году ОАО "Навоиазот", крупнейшее химическое предприятие в Узбекистане, ввело в эксплуатацию производство метанола марки УАФ и диметилэфира (ДМЭ) мощностью 12 тысяч и 2 тысячи тонн в год соответственно [29].

Основной причиной ухудшающейся с каждым годом экологической ситуации в городах является непрерывный рост численности автомобильного парка. Решающую роль в потреблении энергетических ресурсов и загрязнении окружающей среды играет автомобильный транспорт. Это объясняется, с одной стороны, высоким уровнем присущего ему вредного воздействия, обусловленного применением двигателей, работающих на нефтепродуктах, и, с другой стороны, проводимой политикой в области транспорта, фактически поощряющей значительное увеличение объема пассажирских и грузовых автомобильных перевозок, не оправданное ни с каких точек зрения. Особенно заметно это при рассмотрении роли частного легкового автомобильного транспорта, который потребляет энергии и выделяет загрязнений уже больше, чем промышленность [4].

Транспорт, включая автотранспорт, является неотъемлемой частью экономики любой страны, и он является объективной необходимостью для обеспечения её развития. Автотранспорт занимает важное место в единой транспортной системе любого государства. Он перевозит более 80 % грузов и выполняет половину пассажирооборота. Это обусловлено его высокой маневренностью, высокой скоростью и своевременностью доставки грузов, высокой мобильностью, оперативностью управления перевозкой пассажиров и др. поэтому рациональное использование топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) и охрана окружающей среды (ООС) являются неотъемлемой частью функционирования транспорта.

Известно, что природа - это совокупность материально-инергитической и информационной составляющих Вселенной. Она имеет свои исчерпываемые и неисчерпаемые ресурсы - тепла и силы, которые используются человеком для своего существования. Все элементы природы, которые окружают человека, составляют окружающую среду [4].

Известны несколько путей улучшения экологических показателей двигателей внутреннего сгорания. К ним относятся совершенствование конструкции и способов управления ДВС. В частности совершенствование конструкции систем топливоподачи, газораспределения, улучшение процессов смесеобразования, применение систем рециркуляции отработавших газов и др. Также известен способ улучшения экологических показателей ДВС путем нейтрализации вредных компонентов отработавших газов в выпускной системе. К сожалению, ужесточающиеся нормы по токсичности отработавших газов ограничивают применение вышеперечисленных способов, которые связаны со значительными капиталовложениями. Несомненно, развитее отечественного двигателестроения будет двигаться по пути постоянного совершенствования конструкции ДВС, но для решения насущных экологических проблем крупных городов необходимо использовать другие способы.

Одним из путей снижения негативного влияния автомобиля на экологию города является использование альтернативных, экологически более чистых видов моторного топлива.

Интенсивные работы в этом направлении ведутся во всех развитых странах мира. Ведущие мировые автомобильные концерны инвестируют миллиарды долларов в развитие транспорта и технологий альтернативных видов моторного топлива и источников энергии.

Особенно следует отметить диметилэфир (CH3-O-CH3) как заменитель дизельного топлива. Основные преимущества диметилэфира (ДМЭ) как моторного топлива:

- высокое цетановое число (соответственно низкая температура самовоспламенения).

- низкий уровень дымности в ОГ.

- наравне с СПГ и СжПГ считается наиболее перспективным моторным топливом.

- диметилэфир очень (толерантен) к рециркуляции отработавших газов.

Однако из-за низкой температуры кипения, низкой вязкости и высокой сжимаемости ДМЭ образовываются паровые пробки, ухудшаются условия смазки плунжерных пар, а также с учетом низкой теплотворной способности приходится искать различные способы его подачи в двигатель.

ДМЭ может также производиться на базе каменного угля, углеродосодержащих продуктов (битумов), а также биомассы, что позволяет считать его возобновляемым видом топлива. По-существу, речь, по-видимому, может идти о глобальной отработке новой прогрессивной технологии преобразования природного газа (и других видов сырья), обеспечивающего только умеренный экологический эффект, в идеальное моторное топливо, отвечающее всем самым жестким экологическим и экономическим нормам наступающего века.

Из описанных результатов исследования можно заключить, что диметиловый эфир по своим физико-химическим показателям и данным моторных испытаний может стать в XXI веке основным видом моторного топлива во всем мире, над внедрением которого в настоящее время интенсивно работают многие ведущие фирмы и государственные организации за рубежом.

Применение ДМЭ позволяет снизить содержание вредных веществ в ОГ до норм Euro-III без использования нейтрализаторов, как на вновь выпускаемых автомобилях, так и на находящихся в эксплуатации. Наличие больших запасов природного газа в Узбекистане, являющегося сырьем для получения ДМЭ при массовом производстве, позволит значительно снизить стоимость эфира и сделать его использование экономически выгодным.

Одним из самых важных положительных факторов использования ДМЭ в качестве моторного топлива является отсутствие необходимости строительства специальных АЗС. Так как по своим физико-химическим свойствам (за исключением цетанового числа) ДМЭ аналогичен пропан -бутану, для заправки автомобильного транспорта ДМЭ можно использовать существующие АГНС. В этом случае АГНС становится двухтопливной заправкой (пропан - бутана и ДМЭ) по аналогии с действующими АЗС (бензин и дизельное топливо) [6].

Актуальность темы. Актуальность работы заключается в снижении негативного влияния автомобиля на экологию и население. Одним из путей решения этих проблем является использование альтернативных экологически более чистых видов моторного топлива. Интенсивные работы в этом направлении ведутся во всех развитых странах мира. Одним из наиболее перспективных альтернативных топлив для дизелей является диметилэфир (ДМЭ).

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является дизель автобуса ISUZU, работающий на ДМЭ. Предметом исследования являются конструктивные особенности систем питания дизелей, работающих на ДМЭ.

Цель и задачи работы. Целью работы является изучение и анализ свойств ДМЭ, как дизельного топлива, способы улучшения эксплуатационных показателей, дизеля работающего на ДМЭ.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- провести аналитический обзор ранее проведенных исследований по использованию ДМЭ, как моторного топлива;

- провести теоретическое исследование ДМЭ, как моторного топлива;

- провести экспериментальное исследование по применению ДМЭ, в качестве моторного топлива;

- провести совместный анализ полученных данных теоретического и экспериментального исследований;

- разработка выводов и рекомендаций по использованию ДМЭ, как моторного топлива.

Краткий литературный анализ. Исследованиям по применению ДМЭ в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания автотранспортных средств посвящены следующие работы: А.М.Гвоздев, П.В.Бушуев, С.В.Рыжкин, А.И. Гайворонский и др.

Методы и методология исследования. Проведены теоретические исследования, с использованием математического аппарата регрессионного анализа, реализованного на ЭВМ, выполнены эксплуатационные испытания.

Научная новизна исследования. На основании изучения и практического анализа дизельного двигателя работающего на ДМЭ, с различными системами питания, выполнено научно обоснованное совершенствование системы питания дизеля, позволяющее уменьшить уровень вредных веществ в отработанных газах и улучшить его показатели.

Практическая и теоретическая значимость исследования. Замена дизельного топлива на экологически чистый ДМЭ, позволит заменить дорогостоящее дизельное топливо, повысить его мощностные и экологические показатели, снизить выбросы вредных веществ в отработавших газах двигателя.

Структура и состав диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и выводов по ним, общих выводов и списка использованной литературы.

Краткая обобщенная формулировка выводов и предложений. Проведен анализ состояния вопроса, сформулированы цели и задачи исследования в этом направлении, проведены экспериментальные исследования, проанализированы их результаты, определены взаимосвязи расхода топлива и выброса токсичных компонентов двигателем. Разработан способ перевода дизеля, на питание ДМЭ, путем установки систем ГБО и подачи ДМЭ во впускной трубопровод двигателя, с целью повышения мощностных и экологических показателей двигателя.



1. Анализ выполненных работ. Современное состояние. Выбор цели и задач исследований

1.1 Сравнительный анализ свойств диметилэфира и дизельного топлива

Диметилэфир является производной метанола, который получается в процессе синтетического преобразования газа в жидкое состояние. Существуют разработки по переоборудованию дизельных двигателей под диметилэфир. При этом существенно улучшаются экологические характеристики двигателя [27].

В последние годы разрабатываются технологические процессы получения диметилэфира из синтетического горючего газа, производимого из угля.

В отличие от сжиженного природного газа, диметилэфир менее конкурентоспособен, в основном по причине того, что теплотворная способность на тонну диметилэфира на 45% ниже теплотворности на тонну сжиженного природного газа. Также для производства диметилэфира требуется не только более высокий уровень предварительных капиталовложений, но и больший объем сырьевого газа для производства продукта с эквивалентной теплотворной способностью.

Диметиловый эфир (ДМЭ) является простейшим эфиром и имеет формулу состава СН3-О-СН3 (или С2Н6О). При нормальных атмосферных условиях ДМЭ находится в газообразном состоянии, но ожижается уже при давлении 0,53 МПа. ДМЭ не токсичен и не загрязняет окружающую среду. ДМЭ характеризуется коротким полупериодом жизни в тропосфере (менее одного дня), не поступает в стратосферу, полностью разлагается до воды и двуокиси углерода, нетоксичен, не канцерогенен, не мутагенен.

В 1987 году был подписан Монреальский протокол, запрещающий производство озоно-разрушающих соединений. ДМЭ имеет нулевой потенциал озоно-разрушения в атмосфере - ODP. В 1997 году разработан Киотский протокол, направленный на ограничение парникового эффекта нашей планеты. ДМЭ имеет нулевой потенциал глобального потепления - GWP [30].

Из-за соединения двух метиловых радикалов CH₃ атомом кислорода и его большой доли (около 35%), при сгорании в дизеле практически не образуется сажа. Но из-за содержания кислорода ДМЭ имеет низкую теплоту сгорания.

Рис. 1.1.1.

Диметиловый эфир может быть получен из любого углеводородного сырья (в том числе - из биомассы), но основным сырьем для производства ДМЭ является природный газ и его продукт окисления--синтез-газ. Природный газ (метан CH₄) реагирует с кислородом и водяным паром с образованием монооксида СО и диоксида СО2 углерода по реакциям:

CH4 + 1,5 О2 -> CO + 2 H2O;

CH4 + H2О -> 3 H2 + СO;

CO + H2О -> CО2 + H2 .

При последующем каталитическом синтезе из СО и СО₂ через промежуточное получение метанола CН₃OН образуется ДМЭ (CH₃OCH₃):

3 H2 + СО2 -> CН3OН + 2 H2O;

H2О + СО -> H2 + СO2;

2 CH3OH -> CH3OCH3 + H2O.

Пока промышленное производство ДМЭ осуществляется исключительно на стационарных установках. Однако быстрый прогресс в технологии производства ДМЭ (в частности, снижение давления синтеза с 32 до 9 МПа, переход на низкотемпературный катализатор и т.д.) может привести к появлению компактных реакторов ДМЭ, которые можно будет разместить на борту транспортного средства. Работы в этом направлении проводятся рядом зарубежных фирм, в частности фирмой Volvo [27].

В последние годы все большее внимание исследователей привлекает использование ДМЭ в качестве экологически чистого топлива для дизелей. Исследованы его физико-химические свойства, процессы подачи, распыливания и сгорания, проведены безмоторные исследования систем подачи ДМЭ в дизель, экспериментальные исследования дизелей на ДМЭ и его смесях с другими топливами - жидкими (дизельное топливо, спирты, масла) и газообразными (природный газ, синтез-газ), оценены экологические качества дизелей, работающих на ДМЭ [31].

Таблица 1.1.1 физико - химические свойства топлив

характеристика	ДМЭ	Дизельное топливо	метанол	пропан	этанол	бутан	метан
Химическая структура	CH3-O-CH3	----	CH3-OH	C3H8	CH3-CH2-OH	C4H10	CH4
Низшая теплотворная способность, МДж/кг	27.6	42.5	19.5	46.3	25	45.7	50
Плотность, г/см3	0.66	0.84	0.79	0.5	0.81	0.61	----
Цетановое число	более 55	не менее 45	5	5	8	12	----
Температура самовоспламенения, оС	235	250	450	470	420	365	650
Октановое число	------	-------	111	111	108	95	130
Стехиометрическое соотношение	9	14.6	6.5	15.8	9	15.6	17.2
Температура кипения, о С	- 25	(180..360)	65	- 43	78	- 05	- 162
Концентрационные пределы воспламеняемости	3.4…18	0.6…6.5	5.5…26	2.1..11.4	3.5…15	1.7…10	5…15
Содержание углерода, %	52.2	86	37.5	82	52.2	82.7	75
Содержание водорода, %	13	14	12	18	13	17.3	25
Содержание кислорода, %	34.8	0	50	0	34.8	0	0

Физико-химические свойства диметилового эфира.

Применительно к разным процессам в ДВС актуальны свойства жидкого или газообразного ДМЭ, условий фазовых превращений, растворимости, химической активности и др.

В таблице 1.1.1. и 1.1.2. приведены важнейшие для ДВС свойства ДМЭ, в частности, жидкого. Некоторые из свойств требуют комментариев и конкретизации.



Таблица 1.1.2 Важнейшие физико-химические и моторные свойства ДМЭ и ДТ.

Характеристика топлива	ДМЭ	ДТ
Молярная масса СnН1,8n	46	190...220
Содержание химических элементов массовое, %: - углерод	52,2	86,6
-водород	13	13
-кислород	34,8	0,4
Коэффициент сжимаемости истинный при 20 0С и 0,1 МПа, 1/Па	157*10-11	67*10-11
Плотность жидкой фазы при 20 0С, кг/м3	668	831...845
Кинематическая вязкость (жидкость, 20 0С), мм2/с	3	0,23
Коэффициент поверхностного натяжения, Н/м	0,0012	0,028
Растворимость в воде при 20 0С, кг/м3	70	-
Давление насыщенных паров при 20 0С, МПа	0,53	0,0008
Температура кипения (ожижения) при 0,1 МПа, 20 0С	-24,8	180...371
Критическое давление/температура, МПа/К	5,37/400	-
Теплота парообразования при 20 0С, кДж/кг	410	210...250
Низшая теплотворная способность, МДж/кг	27,6	42,5
Запас энергии на борту автомобиля, МДж/л	18,9	35,9
Цетановое число	>55	40...55
Стехиометрическое соотношение l0, кг/кг	9,0	14,56
Температура самовоспламенения, 0С	235	240...310
Выброс СО2 при полном сгорании, г/МДж	67,5	74,2

ДМЭ обладает целым рядом преимуществ по сравнению с другими альтернативными топливами и даже дизельным топливом по следующим показателям:

химическим:

- отсутствием валентных углеродно - углеродных связей, что понижает склонность к сажеобразованию при горении;

- содержанием порядка 35% связанного кислорода, что практически полностью устраняет дымность выпускных газов;

- хорошей самовоспламеняемостью в условиях цилиндра дизеля (цетановое число ЦЧ = 55-60 по сравнению с ЦЧ = 45-50 для дизельного топлива, не говоря уже об альтернативных топливах типа метанола и этанола, а также природных газах, имеющих плохую воспламеняемость), что делает его идеальным в качестве моторного топлива дизелей;

физическим:

- хорошей испаряемостью, что приводит к быстрой газификации впрыскиваемых в цилиндры топливных струй, способствуя совершенствованию процесса смесеобразования и улучшению экономичности при понижении требуемого уровня давлений впрыскивания и, следовательно, повышению надежности работы топливо впрыскивающей аппаратуры и снижению ее уровня шума.

Испытания дизелей на ДМЭ показали возможность значительного улучшения следующих характеристик:

экологических:

- снижение уровня выброса вредных выбросов с выпускными газами по окислам азота - в 3-4 раза при практически бездымном выхлопе на всех режимах работы;

- ДМЭ является экологически чистым продуктом, не наносящим никакого вреда окружающей среде;

экономических:

- сохранение или даже улучшение (до 5%) экономичности дизеля по сравнению с работой на дизельном топливе;

эксплуатационных:

- снижение динамики цикла и давлений сгорания, что повышает надежность работы двигателей и снижает шумность на 10 дБ(А), открывая возможность конвертирования в дизели, работающие на ДМЭ, обычных карбюраторных двигателей, а также возрождения с улучшением экологических характеристик широко распространенных, например, в дорожно - строительных машинах безнаддувных дизелей [15].

Конвертирование обычных дизелей для работы на ДМЭ состоит только в модернизации их топливоподающей аппаратуры, направленной на регулирование объемной подачи дизельного топлива (ДТ), в качестве запальной доли, а так же оборудовании (второй системой питания) газобаллонного оборудования (монтаже баллонов низкого давления, используемых для работы с сжиженными природными газами, редуктора и подающих магистралей).

Существуют отработанный (через получение метанола), а также более эффективный новый (через получение синтез - газа) технологические способы массового производства ДМЭ на базе природного газа.

ДМЭ может также производиться на базе каменного угля, углеродосодержащих продуктов (битумов), а также биомассы, что позволяет считать его возобновляемым видом топлива.

Технико - экономический анализ применения диметилового эфира в качестве альтернативного моторного топлива для дизелей свидетельствует о возможности сбыта его по ценам, приблизительно равным ценам на дизельное топливо.

Из описанных результатов исследования можно заключить, что диметиловый эфир по своим физико - химическим показателям и данным моторных испытаний может стать в XXI веке основным видом моторного топлива во всем мире, над внедрением которого в настоящее время интенсивно работают многие ведущие фирмы и государственные организации за рубежом.

По-существу, речь, по-видимому, может идти о глобальной отработке новой прогрессивной технологии преобразования природного газа (и других видов сырья), обеспечивающего только умеренный экологический эффект, в идеальное моторное топливо, отвечающее всем самым жестким экологическим и экономическим нормам наступающего века.

По целому ряду экологических, эксплуатационных и технико - экономических показателей диметиловый эфир может стать в XXI веке одним из основных видов моторного топлива для дизелей во всем мире, что дает основание рекомендовать всемерную поддержку и развитие соответствующих научно--исследовательских работ, которые должны способствовать ускорению массового внедрения ДМЭ в нашей стране, в качестве альтернативного моторного топлива.

1.2 Анализ работы современных дизелей, работающих на диметилэфире

Основное отличие двигателя, работающего на топливной смеси ДТ+ДМЭ, от дизельного прототипа заключается в доработке системы питания. В этом случае переоборудование ДВС из дизельного в газа--дизельный, на него дополнительно матируются газобаллонное оборудование. А именно устанавливаются газовые баллоны для хранения сжиженного газа, монтируется система магистралей высокого и низкого давления, устанавливается редуктор (редуктор--испаритель) и система дозирования газового топлива.

Перевод дизелей на питание ДМЭ можно осуществлять двумя способами:

1. Частичная замена ДТ на ДМЭ.

Данный способ в свою очередь можно реализовать различными путями: добавление ДМЭ к ДТ; смешивание ДМЭ во впускном трубопроводе с воздухом и подача в цилиндр; смешивание ДМЭ на линии подачи ДТ перед впрыском и др.

При этом способе ДМЭ замещается примерно до 70 % ДТ.

2.Полная замена ДТ на ДМЭ.

В этом варианте производится реконструкция топливоподающей системы (размеры плунжера ТНВД, диаметр отверстий в форсунке) и изменение регулировок (положение рейки ТНВД, угол начала впрыска топлива и т.д.).

Данный тип системы топливоподачи ДМЭ должен учитывать следующее:

- цикловая доза жидкой фазы впрыскиваемого в цилиндры ДМЭ должна быть в 1,6 раза больше, чем ДТ;

- в связи с тем, что давление насыщенных паров ДМЭ около 0,5 МПа, то избыточное давление подачи на линии низкого давления должно быть не менее указанного значения;

- более низкое значение вязкости ДМЭ требует использования специальных противозадирочных присадок;

- в связи с тем, что ДМЭ является сильным растворителем, то требуется замена материалов необходимых деталей;

- появление определенных технических затруднений по использованию части ДМЭ из обратной линии топливоподачи и др.

Системы питания двигателей по конструктивной сложности можно, условно, разделить на четыре поколения. Основным признаком деления выступает способ дозирования и подачи газового топлива в цилиндры двигателя.

Системы питания I - го поколения это традиционные системы со смесителем газа (эжекционные системы, трехступенчатый редуктор низкого давления), принадлежит к самым простым решениям - они не требуют сложной электроники.

Системы питания II -- го поколения -- традиционные устройства со смесителем газа, эжекционной системой, и трехступенчатым газовым редуктором. Дополнительно оснащаются дозаторами газа, связанными с электронными устройствами, управляющими количеством подаваемого в двигатель газа, и взаимодействующими с лямбда-зондом, датчиком положения дроссельной заслонки, ЭБУ и т.д.

Важнейшим элементом, обеспечивающим газовоздушную смесь заданного состава, является дозатор, изменяющий свое рабочее сечение с помощью электрического сигнала, (шаговым двигателем), поступающего с электронного блока управления, взаимодействующего с лямбда--зондом. ЭБУ позволяет точно управлять количеством подаваемого газа. Дозатор управляет потоком газа во время работы двигателя во всем диапазоне, согласно заложенной в ЭБУ программе, используя сигнал от лямбдо--зонда, чтобы газовоздушная рабочая смесь, поступавшая в двигатель, имела состав, близкий к стехиометрическому (в случае атмосферных двигателей), и обедненную смесь на наддувных двигателях.

Такое решение обеспечивает оптимальную и долговечную работу нейтрализаторов, и гарантирует выполнение требований к выбросу выхлопных газов.

Системы питания III-го поколения

Системы питания III-го поколения -- системы, которые характеризует центральная подача газа, регулировка которой осуществляется при помощи дозирующего устройства имеющим одноуровневое управление порцией газа--точечное, центральное (газовый многоточечный впрыск). Такие системы так же оснащаются микропроцессорным управлением.

Системы питания III-го поколения имеют в качестве дозирующнго элемента газовую форсунку, подающую газ непосредственно во впускной коллектор, то есть в системах III-го поколения используется центральный впрыск газового топлива с возможностью последующей разводки его потоков по цилиндрам. К этим системам можно отнести систему DGI.

Системы питания IV-го поколения

Основное отличие системы питания IV-го поколения -- это управление дозированием газа при помощи электромагнитных клапанов--форсунок. Подача газа при этом может осуществляться как центрально (а), так и отдельно по цилиндрам двигателя (б). Рис. (1.2.1.)

а

Рис. 1.2.1. Системы питания IV-го поколения

Отличительной особенностью системы IV-го поколения является наличие электрически управляемых клапанов--форсунок, при помощи которых осуществляется дозирование. Данные системы являются логическим продолжением систем III-го поколения: в них присутствует микропроцессорное управление -- ЭБУ, комплекс датчиков и исполнительных устройств, позволяющих контролировать работу двигателя согласно программе, заложенной в ЭБУ. Для систем IV-го поколения характерно наличие газового редуктора с меньшим меньшим количеством ступеней, чем в I, II-м поколении: две или даже, одна. Это связано с тем, что дозирующие форсунки работают на избыточном давлении газа (0.6--0.8 МПа), и для получения такого давления достаточно двух или даже одной ступени газового редуктора.

Рис. 1.2.2. Система впрыска сжатого природного газа: 1,2,3,4 - газовый баллон с запорным и обратным клапаном; 5 - заправочная горловина со встроенным фильтром и обратным клапаном; 6 - запорный клапан с клапаном отключения подачи газа, ограничителем потока газа, термическим предохранителем и запорным краном; 7 - трубопровод высокого давления; 8 - гибкий шланг; 9 - газовая распределительная магистраль (рампа); 10 - датчик газовой распределительной магистрали; 11 - форсунка; 12 -двигатель; 13 - двойное зажимное кольцо; 14 - клапан высокого давления; 15 - датчик давления газа; 16 - редуктор давления газа с клапаном высокого давления для работы на газе.

В результате исследований по использованию ДМЭ в качестве топлива в дизелях установлено следующее:

- осуществить воспламенение газавоздушную смесь в дизеле со степенью сжатия менее 25 без постороннего источника зажигания смеси невозможно.

- наиболее приемлемым процессом организации воспламенения рабочей газовоздушной смеси, является газодизельный, при котором газовоздушная смесь воспламеняется от небольшой запальной дозы дизельного топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания в конце такта сжатия;

- газодизельный процесс является наиболее экономически оправданным, так как при этом не требуется переделка двигателя и его систем, а только дооборудование двигателя ГБО и перерегулировка штатной топливной аппаратуры.

- при прекращении подачи ДМЭ, двигатель может полноценно работать как обычный дизель. Газодизельный процесс ДВС не только не ухудшает технико-экономические показатели работы автомобиля, но даже несколько увеличивает КПД двигателя (на 1…2 %) по сравнению с дизельным циклом; [ ]

Система питания автомобиля, работающего на сжиженном газе, имеет один или два баллона, заполненных сжиженным газом. При необходимости превращения жидкой фазы в газообразную в системе предусмотрен испаритель и одноступенчатый редуктор.

Вне зависимости от вида используемого газа газобаллонная установка включает:

- емкость для хранения и транспортировки газообразного топлива;

- газовый редуктор;

- устройство для подогрева и испарения газа;

- дозирующее устройство;

- трубопроводы;

- контрольные приборы.

Принцип работы систем распределённого впрыска отличается от систем МОНО тем, что количество впрыскиваемого топлива рассчитывается по показаниям расходомера воздуха и само впрыскивание производится под впускной клапан каждого цилиндра. Такая схема позволяет более точно дозировать количество и момент впрыскивания топлива.

Число форсунок в системах распределённого впрыска равно числу цилиндров. Форсунки крепятся на специальных топливных рейках (рампах) непосредственно на впускном коллекторе или головке блока. Нижние (выходные) части форсунок, через уплотнительные кольца вставлены во впускной коллектор над впускным клапаном. Рабочее давление в таких системах имеет значение от 2 до 4 bar.

Самым приемлемым вариантом для газодизельного автомобиля есть установка газовых форсунок (жиклёров), вне зависимости от наличия турбонаддува, непосредственно возле впускных клапанов рис. 1.2.3.

Рис. 1.2.3. Схема установки форсунок во впускной коллектор двигателя.

Система использует продвинутый модуль подачи газа, который работает как с современными дизельными двигателями, так и с двигателями более позднего выпуска. Система не требует какой либо модификации двигателя и работает совершенно независимо. Она проста в установке и может быть настроена на типы двигателей. Документально подтверждено экономию топлива порядка 10-20% и прибавку мощности около 30%, также снижается шум двигателя.

Данная система позволяет максимально точно контролировать жидкий впрыск газа, что в свою очередь благотворно сказывается на процессе сгорания и мощностных характеристиках автомобиля.

Система LPi - впрыск в жидкой фазе успешно работает на технически сложных и продвинутых моторах, где применяются технологи ТУРБО НАДДУВА, FSI - многослойный состав топливно/воздушной смеси и технологии сгорания на сверх обедненных смесях.

Так как система LPi использует в своей работе стратегию управления двигателем штатного блока управления двигателем (ЭБУ), все до единого показателя технических характеристик сохраняются неизменными, кроме одного, так как автомобиль становиться более экологичным и более дружественным к окружающей среде. [ ]

Рассмотрев и проанализировав все вышеизложенные материалы, для исследований был выбран следующий способ использования ДМЭ в качестве моторного топлива: частичная замена дизельного топлива ДМЭ, путем подачи его через впускной тракт смешиванием с воздухом, с использованием системы LPi - впрыска ДМЭ в жидкой фазе.

Идея применения ДМЭ в качестве моторного топлива для двигателей с воспламенением от сжатия, возможности его крупномасштабного производства и первые результаты использования в дизелях были опубликованы фирмами АМОСО и NAVISTAR (США), Haldor Topsoe (Дания) и AVL (Австрия) в 1995 г. на конгрессе SAE в Детройте (США). Уже первые испытания ДМЭ в качестве топлива для дизелей свидетельствовали о том, что ДМЭ представляет собой многообещающее альтернативное топливо.

Особо была отмечена удачная конструкция топливной аппаратуры для работы на ДМЭ разработки ФГУП НИИД.

Генеральный директор ГУП «Мосавтохолод» отметил, что использование диметилового эфира в качестве альтернативного вида топлива - это совершенно новое направление, реализация которого начата в 2002 г. Лучшие результаты в этой области получены в Москве и Японии.

Результаты испытаний показали, что автомобили при использовании ДМЭ более дружелюбны к окружающей среде, чем дизели на традиционном топливе. Для сравнения: пять грузовиков на ДМЭ, вместе выбрасывают столько же токсичных веществ, сколько один такой же грузовик работающий на солярке. По мнению генерального директора ГУП «Мосавтохолод», в перспективе, когда встанет вопрос о введении норм Euro 5, использование ДМЭ вместо дизельного топлива позволит решить одну из важных проблем для автопроизводителей - устанавливать или не устанавливать дорогостоящие каталитические нейтрализаторы в выпускную систему автомобиля.

В том же 2005 г. Правительство Москвы поручило сотрудникам ФГУП НИИД начать исследования по адаптации для работы на диметилэфире двигателей КамАЗ. Специалисты института успешно справились с поставленной задачей: к середине 2006 г. автофургон АФ 47415Н на шасси КамАЗ-65117 (6х4) превратился в автомобиль, оборудованный аппаратурой для работы на ДМЭ. К нему присоединятся еще две такие же машины и 15 грузовиков ЗИЛ-5301, на которых установлена модернизированная система питания на ДМЭ. Сохранив с ЗИЛ-5301 одинаковую [ ]

Принципиальную схему, емкость из двух последовательно расположенных баллонов для диметилэфира на КамАЗе увеличили до 380 л, более мощными стали топливоподающие насосы. Мощность дизеля КамАЗ-740.30.260 составляет 240 л.с., полная масса авторефрижератора достигает почти 24 т. Запас хода - 600 км - тоже вполне впечатляет. Грузовик, как и зиловские малотоннажники, отправили на эксплуатационные испытания в ГУП «Мосавтохолод», а точнее в его филиал «Западный».

Интересно, что данный образец стал едва ли не единственной в мире моделью столь внушительной грузоподъемности (13 т.), способной работать на диметилэфире. Даже у японцев нет такой разработки, и, посетив Москву, они не могли поверить, что в России имеется подобная конструкция. Сами японцы испытывают на диметилэфире только микроавтобус и среднетоннажный грузовик, который, кстати, летом нынешнего года демонстрировался на одной из выставок в Москве.

КамАЗ в течение года ждут испытания в разных климатических условиях, в таких же, в каких с 2004 г. эксплуатируются ЗИЛ-5301, работающие на ДМЭ. За время эксплуатации «Бычков»-рефрижераторов выявлено только несколько отрицательных моментов. Поскольку ДМЭ очень агрессивен по отношению к резине, из-за чего в качестве прокладок приходится использовать другие материалы, он образует также воду, способствующую развитию коррозии. Несмотря на это, по твердому убеждению И. Лазарева, у диметилэфира очень хорошие перспективы в качестве альтернативы дизтопливу.

Свою оценку практического применения диметилэфира на грузовых автомобилях дал руководитель филиала «Западный» ГУП «Мосавтохолод», где работает наибольшее количество автомобилей ЗИЛ-5301, использующих ДМЭ в качестве топлива. По его мнению, у диметилэфира как у альтернативного экологически чистого вида топлива большое будущее. Это подтверждает успешная пробная эксплуатация в течение трех лет на предприятии грузовых «Бычков». Неплохие показатели и у аналогичного по конструкции КамАЗа, который начал работать в нынешнем году. По всей видимости, уже в ближайшие годы парк автомобилей, оборудованных топливными системами с диметилэфиром, увеличится до нескольких сотен единиц. Сравнивая три существующие системы с ДМЭ, о которых рассказывалось выше, и исходя из опыта эксплуатации грузовиков по комплексу показателей, отдает предпочтение разработке специалистов НИИД.

Рис. 1.3.1 Среднетоннажный грузовик Isuzu Forward FRR35J4S, переоборудованный для работы на ДМЭ

В Японии автомобиль с диметилэфировой установкой создан под эгидой AIST (Национального института развития промышленности, науки и технологии), объединившего усилия целой группы организаций и фирм, которые принимали участие в проекте. В качестве базовой модели взяли грузовик Forward FRR35J4S компании Isuzu полной массой 8 т, оснащенный рядным шестицилиндровым 180-сильным дизелем 6HL1 рабочим объемом 7,2 л. Двигатель оборудован прямым впрыском топлива и неохлаждаемой системой рециркуляции отработавших газов EGR с увеличенной рабочей поверхностью. Для очистки выхлопных газов установлен каталитический нейтрализатор (типа Pb/Pt), а в ДМЭ для улучшения смазывающей способности добавлено 500 ppm присадки (жирного кислотного типа). Концепция японской разработки, по замыслу проектировщиков, предусматривала решение сразу нескольких задач:

- обеспечение теплотворной способности и продолжительности при впрыске ДМЭ, аналогичных показателям при использовании дизельного топлива;

- достижение номинальной мощности при работе на ДМЭ, равной мощности дизельного двигателя на всех скоростных режимах;

- достижение теплотворной эффективности ДМЭ, сопоставимой с аналогичным показателем при сгорании дизельного топлива;

- соответствие показателей выбросов отработавших газов допустимым нормам, принятым в Японии в 2003 г., при использовании обычного метода очистки газов с помощью каталитического нейтрализатора;

- пробег автомобиля с ДМЭ должен составлять около 500 км без дозаправки;

- безотказная работа топливной системы во время испытаний;

- подтверждение заявленных характеристик автомобиля во время ходовых испытаний на дорогах общего пользования.

Испытания грузовика начались в конце октября 2004 г. и проводились на автомагистралях в центральной части Японии. При общем пробеге 13 тыс. км (на март 2006 г.) автомобиль, работавший на диметилэфире, показал неплохие результаты. Уровень токсичных веществ и шумового излучения оказался меньше предусмотренных по действующим в стране экологическим нормам. Пробег без дозаправки составил 500 км, а работа топливного насоса высокого давления не вызывала нареканий. Таким образом, разработчики рассчитывают, что грузовик, оборудованный топливной системой с ДМЭ, сумеет занять свою нишу на транспортном рынке страны.

Вне сомнений, в России транспорт на диметилэфире будет востребован для автомобильных перевозок.

Рис. 1.3.2 Отсек с оборудованием для работы на ДМЭ на КамАЗе

Напомним, что ДМЭ - простейший эфир, нашедший применение в косметической промышленности в качестве газа-вытеснителя в аэрозольных баллонах благодаря благоприятным экологическим характеристикам.

Цель и задачи исследования

Целью работы является изучение и анализ свойств диметилэфира, как дизельного топлива и способы улучшения эксплуатационных показателей дизеля, работающего на диметилэфире.

Для достижения поставленных целей были решены следующие задачи:

- проведен аналитический обзор ранее проведенных исследований по использованию диметилэфира, как моторного топлива;

- проведены теоретическое исследования диметилэфира, как моторного топлива;

- проведены экспериментальные исследования по применению диметилэфира, в качестве моторного топлива;

- проведен совместный анализ полученных данных теоретического и экспериментального исследований;

- разработаны выводы и рекомендаций по использованию диметилэфира, как моторного топлива.

Анализ отечественной и зарубежной литературы показал, что технические и экономические предпосылки для применения ДМЭ в дизельных двигателях, а также широкая сырьевая база и новейшие технологии производства, позволяют считать ДМЭ возможной заменой дизельному топливу.

2. Теоретическое исследование способов улучшения эксплуатационных показателей дизелей, работающих на димеилэфире

2.1 Методика исследования

Расчетно-теоретические исследования проводились как по методам и программам, разработанным автором, так и по ранее созданным в ТАДИ.

При построении теоретических (расчетных) характеристик двигателя могут быть применены следующие способы.

1. Применяют закон изменения всех показателей, которые обычно оцениваются при проведении теплового расчета, а именно:

Ра, Рz, Тс, Тс', a , hv , Tz , n1, n2, x - в функции от частоты вращения вала или нагрузки.

Исходя из этих данных, проводят для нескольких (пяти-семи) значений частоты вращения n тепловые расчеты двигателя (расчеты рабочего цикла), основные размеры которого определены для номинального режима работы.

На основании данных, полученных из тепловых расчетов, строят кривые, внешней скоростной характеристики двигателя (ВСХ): Ne ,Gт , ge и Mк = f(n) или Gт, ge , Mк и n = f(Ne).

Внешняя скоростная характеристика двигателя - это зависимость крутящего момента, мощности двигателя, расхода топлива от частоты вращения коленчатого вала при полной подаче топлива.

2.Используют эмпирические зависимости, для которых исходными данными являются показатели номинального режима работы двигателя, полученные из теплового расчета.

Первый способ связан с большим объемом расчетных операций, что обуславливает целесообразность его применения с использованием ЭВМ. При этом необходим большой объем информации по характеру (закономерности) изменения целого ряда исходных параметров, величина которых меняется в функции частоты вращения и мощности двигателя.

Второй способ построения характеристик сводится к воспроизведению среднестатистической геометрической формы кривых и как следствие этого не требует большого объема расчетных работ.

Построение внешней скоростной и регуляторной характеристик двигателя по второму способу рассмотрим раздельно с использованием ниже указанных значений частот вращения (мин -1):

n_min - минимальная устойчивая частота вращения, которая достигается при полной нагрузке без риска остановки двигателя;

...