методика и результаты моторных испытаний дизеля Д-120 (2Ч 10,5/12) на ДМЭ, которые показали возможность улучшения экологических характеристик дизеля, работающего на ДМЭ, путем оптимизации ТА при сохранении его мощностных показателей.

Личный вклад автора:

проведен анализ современных тенденций использования ДМЭ и других альтернативных топлив в качестве топлива для дизеля на основе технической и патентной литературы;

проведен анализ современных методов и новых технологий производства диметилового эфира за рубежом и в России;

проведен расчет свойств ДМЭ в газовой фазе на основе уравнения состояния Бертло;

проведены расчеты некоторых свойств ДМЭ с использованием принципа термодинамического подобия;

разработана методика, создана экспериментальная установка, позволяющая с достаточной точностью определять объемную долю газовой фазы (0 в диметиловом эфире при давлении насыщенных паров, и проведены измерения объемной доли газовой фазы (0 в рабочем диапазоне температур от 20 до 80 0С;

дополнен метод гидродинамического расчета ТА, использующий ДМЭ, уточнением начальных условий, в частности, заданием величины газовой фазы на основе экспериментальных данных;

обоснована комплектация ТА по результатам расчетной оптимизации ТА. Расчетное исследование оптимизированной ТА при работе на ДМЭ показало сокращение продолжительности впрыскивания на 6…7 град поворота кулачкового вала ТНВД;

создана экспериментальная система питания дизельного двигателя, позволяющая работать на ДМЭ и ДТ, а при запуске и прогреве двигателя на ДТ;

проведены моторные испытания дизеля Д-120 со штатной и оптимизированной ТА с индицированием давлений в топливопроводе и цилиндре двигателя при работе дизеля на ДМЭ;

результаты моторных испытаний при работе дизеля Д-120 на ДМЭ и ДТ на штатной ТА показали, что переход на ДМЭ обеспечивает снижение выбросов NОx примерно в 1,5 раза, а замена штатной ТА на оптимизированную ТА обеспечивает при работе на ДМЭ снижение выбросов NОx по сравнению с работой на ДТ на больших нагрузках в 2,5 раза.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на научно-технических конференциях: в 2006г., 2007г. и в 2009г. в МАДИ (ГТУ), в 2008г. на III Международной конференции «Альтернативные источники энергии для больших городов», в 2009г. на Всероссийском научно-техническом семинаре по автоматическому управлению и регулированию теплоэнергетических установок имени профессора В.И. Крутова в МГТУ имени Н.Э. Баумана и заслужили положительные оценки.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ. Из них 2 статьи в изданиях по списку ВАК и два патента РФ.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и приложения, содержит 117 страниц машинописного текста, 32 рисунка, 28 таблиц, 4 фото. Библиография включает 103 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, поставлены цели и задачи исследования, изложена общая характеристика работы.

Первая глава посвящена анализу современного состояния вопроса и постановке задачи исследования. Рассмотрены актуальные современные способы использования альтернативных топлив. Использование ДМЭ в качестве топлива для дизелей требует совершенствования существующих методов расчета и разработки новых подходов адаптации ТС к работе на ДМЭ. Большой вклад в изучение проблем, связанных с применением ДМЭ, внесен фирмами AVL, Holdor Topsoe, НАМИ, НИИД, МГТУ им. Н.Э.Баумана, МАДИ и др. Результаты исследований показали, что использование в качестве топлива ДМЭ в жидком виде позволяет снизить уровень шума, исключить выбросы сажи и существенно снизить выбросы оксидов азота. Практическое отсутствие сажи и полное отсутствие серы в продуктах сгорания ДМЭ позволяют эффективно использовать высокую степень рециркуляции отработавших газов и окислительные нейтрализаторы, что обеспечивает выполнение большинства перспективных норм по токсичности отработавших газов дизелей.

В обзоре приведен также анализ новых технологий производства ДМЭ.

По параметрам, определяющим рабочий процесс ТС, ДМЭ является сжиженным газом близким к пропан-бутану. Основной проблемой при переводе дизеля на ДМЭ является создание достаточно простой и надежной ТС. В исследованных работах представлены результаты использования ДМЭ с различными типами ТС и предложены возможные пути адаптации ТС.

Несмотря на определенные успехи по адаптации ТС и использованию ДМЭ в качестве топлива для дизелей, до сих пор нет достаточно отработанной методики перевода дизелей на работу с ДМЭ. Практически отсутствуют методы расчета свойств ДМЭ как моторного топлива в необходимом диапазоне температур, так как до настоящего времени ДМЭ в основном использовался при низких температурах как хладагент.

На основе анализа состояния вопроса были сформулированы следующие задачи исследования.

Провести расчет параметров состояния, теплоемкости и скорости звука в газовой фазе ДМЭ на основе уравнения состояния Бертло.

Подтвердить эффективность использования принципа термодинамического подобия для определения свойств ДМЭ и провести расчеты теплоты парообразования, поверхностного натяжения, динамической вязкости паров ДМЭ.

Провести анализ свойств ДМЭ как моторного топлива для дизелей.

Разработать методику, создать экспериментальную установку и определить объемную долю газовой фазы в ДМЭ при давлениях близких к давлениям насыщенных паров.

Дополнить метод гидродинамического расчета ТА уточнением начальных условий, в частности, объемной доли газовой фазы ДМЭ, полученной экспериментально.

Расчетным путем оптимизировать основные параметры ТА для использования ДМЭ в качестве топлива.

Разработать двухтопливную систему питания дизеля для работы как на ДТ, так и на ДМЭ для проведения моторных испытаний с определением параметров впрыскивания топлива, давления и температуры рабочего тела в цилиндре дизеля.

Провести моторные испытания со штатной ТА (на ДТ) и с оптимизированной ТА (на ДТ и ДМЭ) с целью подтверждения возможности улучшения экологических показателей дизеля.

Во второй главе проведен анализ и расчет свойств ДМЭ. Диметиловый эфир (ДМЭ) СН3-О-СН3 в отличие от большинства низших спиртов и их эфиров характеризуется высокими значениями ЦЧ. Вместе с тем ДМЭ имеет ряд недостатков, прежде всего высокие давления насыщенных паров при низких температурах, в результате чего даже при отрицательных температурах при атмосферном давлении он переходит в газовую фазу, что создает при его использовании определенные трудности. Тем не менее сочетание отсутствия склонности к дымлению, уменьшения уровня шума и выбросов оксидов азота, делают применение ДМЭ весьма перспективным. Так, в 2004 году в городе Москве осуществлен перевод ряда автомобилей с дизельными двигателями на диметиловый эфир. В связи с этим существенно вырос интерес к определению свойств ДМЭ не только как хладагента.

Материалы этой главы базируются на трудах М.П.Вукаловича, Р.Планка, Г.М.Камфера, а также на результатах, полученных А.А.Жердевым в МГТУ и д-ром Х.Офнером в фирме AVL и были разработаны (за исключением анализа ДМЭ как моторного топлива) совместно с Г.М. Камфером.

Для расчета свойств ДМЭ в состоянии насыщения использована система полуэмпирических уравнений в диапазоне температур вплоть до критической:

• давление насыщенных паров рнп (в 105 Па)

• скрытая теплота парообразования r (в кДж/кг)

• удельный объем кипящей жидкости v( (в м3/кг)

• удельный объем насыщенных паров v( (в м3/кг)

единице).

Для определения свойств ДМЭ в паровой (газовой) фазе использовано уравнение состояния Бертло

формах, которое при рассчитанных по критическим параметрам ДМЭ