Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Экономия энергоресурсов и улучшение экологических показателей дизеля путем применения биотоплива растительного происхождения

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Экономия энергоресурсов и улучшение экологических показателей дизеля путем применения биотоплива растительного происхождения"

'На правах рукописи

"1

ЛЛИ АБДО ХАДРУС

Экономия энсргоресурсов н улучшение экологических показателей дизеля путем применения биотоплива растительного происхождения.

4 у 1 ] .00.11.- Охрана окружающей среды и рациональное

использование природных ресурсов. 05.04.02.- Тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-1998

Работа выполнена на кафедре комбинированных двигателей внутреннего сгорания инженерного факультета Российского Университета дружбы народов.

Научный Руководитель - кандидат технических наук

доцент И.В, Ермалович

Официальные оппоненты - доктор технических наук

профессор Л.Н. Голубков - кандидат технических наук доцент Е.Г. Пономарев

Ведущая организация - Научно-исследовательский

тракторный институт (НАТИ)

Защита диссертации состоится 24 марта 1998г в 15°° часов на заседании диссертационного совета К.053.22.26 в Российском Университете дружбы народов по адресу: 117302 Москва. Ул. Орджоникидзе, д.З.

С диссертацией можно ' ознакомится в научной библиотеке Российского Университета дружбы народов по адресу: 117198 Москва. Ул. Миклухо-Маклая^.6.

Автореферат разослан февраля 1998г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук,

доцент В.Д. Долгушин

Общая характеристика работы.

Актуальность работы. В последнее время увеличилось количество публикаций, оценивающих мировые запасы нефти. Существуют различные оценки, в которых время истощения разведанных запасов нефти при сохранении темпов ее Добычи колеблется от 20 до 50 лет. В эти же сроки прогнозируется появление дефицита в балансе производства нефти и потребления топлива Для двигателей внутреннего сгорания.

Значительным перспективным резервом для погашения дефицита между производством нефти и потреблением топлива для двигателей внутреннего сгорания могут быть топлива, изготавливаемые на основе биомасс, прежде всего растительные масла и спирт. За последние годы ведущие двигателестроительиые фирмы и научно- исследовательские центры стран Западной Европы, США, Японии и Китая проводят исследование по применению растительных масел непосредственно в качестве дизельного топ/, ива, в качестве сырья для получения топлива для дизелей или в качестве добавок к дизельному топливу. Решение этой проблемы весьма важно для тех стран Ближнего Востока, которые не обладают запасами нефти, но имеют широкие возможности для производства растительных масел, в первую очередь рапсового масла.

Использование биотоплив в качестве топлива для дизелей позволяет решить еще одну весьма важную проблему- защиту окружающей среды. При сжигании традиционных нефтяных топлив в атмосферу выбрасывается большое количество диоксида углерода, накопление которого в атмосфере приводит к парниковому эффекту.

Использование биотоплив позволяет сохранить в природе баланс диоксид углерода, т.к. его выбросы при сжигании биотоплив сопоставимы с количеством диоксида углерода, поглощаемого при • выращивании этого сырья в процессе фотосинтеза.

Применение биотоплив на основе растительных масел наталкивается на ряд трудностей, которые до настоящего времени мало изучены. Это высокая вязкость растительных масел, пониженные характеристики воспламеняемости, склонность к повышенным углеродистым отложениям на днище поршня, в головки двигателя и клапанах, смолистым отложениям в распылителе форсунки. Мероприятия по их устранению в настоящее ■ время малоэффективны, требуют изменения конструкции двигателя и физико- химических свойств растительных масел, т.е. достаточно сложной их химической г.греработки. Для ряда развивающихся стран, в том числе для ряда стран Ближнего Востока, которые не имеют сложных химических технологий и развитой

двигателестроительной промышленности, эти вопросы должны решаться без существенной модернизации двигателя и его систем, и глубокой физико- химической переработки растительного масла,-

Целью работы является исследование работы дизеля на биотопливе, составленном из компонентов биологического происхождения (т.е. целиком заменяющего топливо нефтяного происхождения) л разработке рекомендаций по его применению.

Научную новизну работы составляют новые данные о параметрах рабочего процесса дизеля, работающего на биотопливе и

о

влиянии различных композиций биотоплива на его энергетические, экономические и экологические показатели.

* Методы исследования. При выполнении работы применялись расчетные и экспериментальные методы исследования. Эксперименты проводились в лаборатории рабочих процессов ДВС кафедры комбинированных двигателей внутреннего сгорания на установке ИДТ-69, в лабораториях кафедры обсей химии, а также на моторном стенде с дизелем А 190 S фирмы "Агрострой", -Славия. Для анализа привлечены результаты, полученные при испытаниях дизели 1ч 8,5/11 и СН- 6Д на стеках лаборатории рабочих процессов кафедры комбинированных двигателей внутреннего сгорания и фирмы "Агродизель". Достоверность результатов подтверждена сходимостью экспериментальных результатов теоретическим положениям, а также обусловлена точностью использованной аппаратуры и достаточным объемом -экспериментов.

Практическая ценность работы может рассматриваться в двух . аспектах. Во- первых, использование рекомендаций по сопоставлению композиции биотоплива и его применению позволит перевести часть парка дизелей на биотопливо, . чтй дает существенную * экономию ва-;<ггных средств в бюджете стран, не обладающих запасами нефти. Во- вторых, методики исследований могут быть использованы в последующих работах, посвященных проблеме поиска других композиций биотоплива н его применению в дизелях автотракторного типа.

Реализация работы . результаты работы используются в учебном процессе кафедры комбинированных ДВС РУДН при подготовке аспирантов и стажеров, а также для разработки рекомендаций • предприятиям агропромышленного комплекса,

занимающихся утилизацией рапсового' масла.

J j

1

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на XXXIII научно- технической конференции РУДН 1997 года и опубликованы в тезисах конференции.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 64 наименований. Диссертация наложена на 107 страницах машинописного текста, включая 22 рисунка и 8 таблиц.

Содержание работы

Во введении обоснована. актуальность работы и выбранного направления исследований. Сформулирована её цель, задачи и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации проведен анализ перспектив производства нефти и потребления топлива для двигателей внутреннего сгорания, рассмотрены физико- химические свойства растительных масел и проанализированы результаты применения растительных масел в качестве топлива для дизелей.

Ряд прогнозов указывают на возникновение в ближайшие 5070 лет дефицита между производством нефти и погреблением топлива для двигателей внутреннего сгорания.

• В настоящее время наметился путь для ликвидации этого дефицита- создание топлив на основ растительных масел, производство которых на сегодняшний день составляет 60 млн. тонн в год. В перспективе к 2000 г. , их производство может увеличиться до 110- 130 млн. тонн в год. Растительные масла привлекают к себе внимание прежде всего потому, что обладают высоким энергосодержанием. Обладая высокой теплотворной

способностью (всего на 14- 17 % ниже теплотворной способности дизельного топлива), растительные масла содержат прямые углеводородные цепи, что обуславливает их относительно высокие цетановые числа (34- 38 единиц против 45- 50 у дизельного топлива).

Сравнительный анализ физико- химических свойств ' растительных масел и их стоимостных показателей позволил в качестве основы для биотоплива рекомендовать рапсовое масло.

В настоящее время наметилось два направления в использовании рапсового масла в качестве топлива для' дизелей. В первом случае предполагается использование рапсового йасла в иепереработанном виде в качестве топлива или в качестве добавки к дизельному топливу. Во втором случае рапсовое масло служит сырьем для получения топлива, близкого по своему качеству к стандартному дизельному топливу нефтяного происхождения. При . отсутствии развитой химической промышленности для стран Ближнего Востока, в частности Ливана,' наиболее, целесообразно проведению исследований по первому направлению.

Практически во всех развитых странах Западной Европы, США, Японии, Китае ведутся исследования по применению рапсового масла в качестве топлива дгм дизелей. Анализ этих работ позволил установить:

1. При применении рапсового масла отмечалось сохранение работоспособности дизелей при уменьшении экономических и энергетических показателей. Однако длительная работа приводила к повышенному отложению нагара на деталях ЦПГ и потере функциональных качеств дизелей.

2. Замена дизельного топлива на растительные масла приводит к увеличению максимального и среднего давления впрыска, более раннему началу и большей продолжительности впрыска, уменьшению колебаний в нагнетательном трубопроводе после окончания впрыска.

3. Применение рапсового масла приводит к отложению лаковых пленок на внутренних поверхностях распылителя. Повышение температуры приводит к увеличению скорости отложения пленок и как следствие, к зависанию распылителя.

4. Двигатели с разделенной и неразделенной камерой сгорания представляют различные требования к растительным маслам с незначительной присадкой дизельного топлива. Дизель с разделенной камерой сгорания может работать на очищенном от смол рапсовом масле. Дизель с неразделеш. Л камерой сгорания работает на смеси дизельного топлива и рапсового масла 50 : 50. Для обоих типов двигателей необходимы мероприятия по снижению вязкости рапсового . масла, чтобы уменьшить искажения процесса смесеобразования.

В соответствии с изложенными в главе 1 материалами, были определены следующие задачи исследовани

. — Провести сравнительный анализ рабочих процессов дизелей с разделенной и неразделенной камерой сгорания для обоснования выбора типа процесса двигателя, работающего на биотопливе;

— • разработать композиции топлива, составленного из биологических элементов;

— разработать методики и провести лабораторно- стендовые испытания биотоплив и стендовые испытания дизеля на биотопливах;

б

— на основании результатов проведенных исследований и лабораторно- стендовых испытаний разработать рекомендации по применению биотоплив на дизеле с полной заменой дизельного топлива.

Во второй главе диссертации привечены результаты сравнительного анализа физико- химических свойств дизельного топлива нефтяного происхождения и биотоплива, установлены особенности протекания рабочего процесса дизелей .с разделенной и неразделенной камерами сгорания при работе их на биотопливе, а также рассмотрены способы интенсификации процесса сгорания биотоплива.

Вязкость топлива является одним из важнейших факторов, влияющих на процесс смесеобразования. ' Вязкость топлива определяет дисперсность распыливания , дальнобойность факела и его угол. Поскольку вязкость рапсового масла в 8-10 раз больше вязкости товарного дизельного топлива в качестве компонента,

к

уменьшающего вязкость рапсового масла был принят этиповый спирт. В результате к испытаниям были приняты три композиции: 90% рапсового масла + 10 % члового спирта 80% рапсового масла + 20% этилового спирта и 70 % рапсового масла + 30 % этилового спирта. Эти композиции обладают меньшим по отношению к товарному дизельному топливу цетановыми числами на 26, 30 и 35 % соответственно. Вязкость биотоплив меньше вязкости рапсового масла на 36,42 и 51 % соответственно, но больше чем у дизельного топлива в 6- 3 раз. Низшая теплотворная способность биотоплив уменьшилась по отношению к товарному дизельному топливу на 14

-г 1

Поскольку применение биотоплива вносит искажение в рабочий процесс дизеля, а его физико- химические свойства существенно отличаются от свойств дизельного топлива, был проведен сравнительный анализ рабочих процессов вихрекамерного дизеля 1ч 8,5/11 и дизеля СН- 6Д с неразделенной камерой. Для анализа были выбраны кривые тепловыделения, полученные при работе на дизельном топливе смеси дизельного топлива и рапсового масла в соотношении 50 : 50 для дизеля 148,8/11 и 60 : 40 для дизеля СН-60. Анализ был проведен с применением расчетных уравнений Вибе.

По* своим фнзико- химическим свойствам смесь дизельного топлива и рапсового масла близка к исследуемым биотопливам.

В результате анализ были сделаны следующие основные выводы:

— при переходе на смеси рапсового масла и дизельного топлива у дизелей с разделенной камерой из- за уменьшения цсгановых чисел увеличивался период задержки воспламенения при одновременном уменьшении скорости сгорания в кинетической фазе. Это приводило к уменьшению содержания оксидов азота в ОГ дизеля. В диффузионном периоде процесса сгорания также уменьшалась скорость тепловыделения, что приводило к увеличению на 30- 34 % общей продолжительности сгорания.

— у дизелей с неразделенной камерой сгорания переход на смесь дизельного топлива ии рапсового масла также сопровождался увеличением периода задержки воспламенения. Однако уменьшение скорости тепловыделения в кинетической фазе не отмечалось, так же как и не происходило снижение содержания оксидов азота в ОГ дизеля. Диффузионное сгорание более растянуто по времени, чем у

дизеля с разделенной камерой, что приводит к более существенному (на 45-47%) увеличению общей продолжительности сгорания.

Кроме того, отмечалось, что двигатель с неразделенной камерой сгорания через 20 -25 мин при работе на смеси дизельного топлива и рапсового масла терял -стабильность в работе из- за закоксовывания форсунок. От этих недостатков свободен дизель с неразделенной камерой сгорания, оснащенный штифтовой форсункой.

Применение в составе биотоплива этилового спирта, обладающего плохой испаряемостью, может усугубить деформацию процесса сгорания. Поэтому было признано необходимым разработать мероприятия, направленные на сокращение периода задержки воспламенения и интенсификации • тепловыделения в кинетической фазе путем увеличения термодинамических параметров рабочего тела увеличением степени, сжатия и интенсификации диффузионной фазы сгорания применением химически- активных веществ (ХАС). Дальнейшие работы рекомендуется проводить на дизеле с разделенной камерой.

В третьей главе обосновываются цели и задачи экспериментальных исследований, приводятся описания объектов исследований, экспериментальных установок, изложены методики исследований, а также дана точность измерений и суммарных погрешностей.

Исследования по влиянию степени сжатия е (т.е. термодинамических параметров рабочего тока) на период задержки воспламенения проводился на установке ИДТ- 69. При этом штатная система измерений установки была модернизирована таким образом, что период задержки воспламенения измерялся непосредственно, как разность времен между моментом начала

подачи топлива и моментом воспламенения, определяемого оптическим датчиком по началу интенсивного свечения.

В качестве объекта стендовых испытаний был выбран одноцилиндровый дизель 18 90 А размерности 90/90 при степени сжатия £- 19. Дизель развивал мощность 7,6 кВт при п=3000 1/м. Моторный испытательный стенд УЕМ (Германия) был оборудован необходимыми устройствами и системам, позволяющими поддерживать заданный режим работы и выполнять все измерения согласно ГОСТ 148446- 81. Испытания проводились с использованием дизельного топлива марки Л по ГОСТ 305- 82, трех биотоплив, представлявших композицию рапсового масла этилового спирта и соотношении 90 : 10, 80 : 20 и 70 : 30. Композиции изготавливались с применением эмульгатора.

Запись индикаторных диаграмм осуществлялась с помощью электропневматического индикатора МАИ- 2 при одновременной регистрации хода иглы форсунки. Содержание сажи в ОГ дизеле измерялось сажемером фирмы Бош мод. ЕРА\У 68 А. Для измерения оксидов азота пробы отработавших газов отбирались в вакуумнрованные колбы с последующим химическим анализом и дополнительно контролировались газоанализатором 'Бэкман'.

Четвертая глава диссертации посвещена анализу экспериментальных исследований. Предварительный анализ особенностей процесса сгорания биотоплив позволил сделать вывод о том, что повышение степени сжатия ¿г благоприятно отразится на периоде задержки воспламенения . На рис. 1 представлена

ю

нс

V

10 оя 0,8

0,1

0,6

45 М

0,3

0,2.

•/О НО 30

рис. 1

Зависимость периода задержки воспламенения т, от степени

сжатия е.

1- дизельное топливо.

2- рапсовое масло.

3- 90% РМ +10% ЭС.

4- 70% РМ - 30 % ЭС.

р

__|\ г

\

>1

\ ,3

п

зависимость г(=1" (с), полученная при дабораторно- стендовых испытаниях биотоплив на установке ИДТ- 69. Как и ожидалось, биотоплива имеют существенно больший период задержки воспламенения, чем дизельное топливо и рапсовое масло. Анализ этах зависимостей позволил установить, что для сохранения периода задержки г( на уровне 0,5- 0,6 мс, что наблюдается у дизелей со степенью сжатия 14,5 + 16,5 (широко применяемой в современных автотракторных дизелях) при работе их на дизельном топливе, степень сжатия е необходимо увеличивать до 19- 21 единиц при . переходе на биотопливо.

Наличие точек перегиба на кривых можно объяснить изменением степени влияния интенсивности физических и химических процессов, происходящих в период задержки воспламенения, Для дизельного топлива происходит быстрое, уменьшение г/ до значений е & 16 . Это вызывается превалирующим влиянием скоростей химических реакций, которые определяется ростом температуры. В дальнейшем скорость уменьшения г, замедляется, • что вызвано возрастающей ролью диффузионных и испарительных процессов при отрицательном влиянии увеличивающегося давления. При впрыске биотоплива возрастает концентрационная и термическая неравномерность, что приводит к увеличению продолжительности диффузионных и испарительных процессов. Креме того, скорость химических реакций в биотопливе слабее зависит от температуры, что вызывает общее увеличение периода задержки воспламенения. Поэтому влияние физических процессов, которые идут с меньшими скоростями, начинаются при больших величинах периода задержки воспламенения, чем у дизельного топлива. Это обстоятельство

позволяет сделать выводы о том, что применение в качестве дизельного топлива композиций, выполненных на основе рапсового масла и спирта, целесообразно на дизелях с высокими степенями сжатия.

На рис. 2а,б представлены зависимости, показывающие содержание спирта в рапсовом масле на относительные показатели работы дизеля 1S90A на режиме номинальной мощности. Показатели определялись как отношение соответствующих показателей при работе дизеля на биотопливе с различным содержанием спирта к показателям работы дизеля на дизельном топливе.

Как видно из рис. 2а, увеличение содержания этилового спирта приводит к увеличению продолжительности сгорания , что приводит к ухудшению экономичности. Увеличение скорости тепловыделения в кинетической фазе (при сокращении ее продолжительности) приводит к росту содержания NOx в'ОГ дизеля. Ввиду этого увеличение содержания спирта в биотопливе целесообразно ограничивать до 30%, Дальнейшее увеличение содержания спирта в биотопливе требует применения химически - активных соединений, воздействующих на протекание процесса тепловыделения;

На рис. 26 представлены кривые, показывающие влияние концентрации Fe(CH\a в биотопливной композиции (70 % РМ+30 % ЭС) на показатели токсичности ОГ и рабочего процесса дизеля. Как видно, увеличение концентрации присадки Fe(CH\a до значений 0,03-0,04 % (по массе) снижает общую продолжительность сгорания при практически постоянной длительности кинетической фазы. Это приводит к улучшению экономичности дизеля при сохранении содержания NO, в ОГ на одном уровне.

№

о,9

<>0

О.в

0,6

Со <0

0,Я5

0,5

А, 05

<1,00

( 1

< 11. «4

Щ

•

Сс_

\

АО гяъочоЬД' °>00 °<04

И .

Iо 0,9

{о щ 0,8 0,6

4,0 £с 0,45

0,5

40

Рис. 2а (РМ+ЭС)

Рис. 2б(70%РМ+30%ЭС+Л(ОТ)1в

Влияние концентрации спирта б „(рис. 2а) и концешрадии ферроцена Ре(СН\„ (рис.2б) на изменение относительных показателей токсичности и экономичности дизеля 1Б90А.

Дальнейшее увеличение концентрации Ге(СН\0 не приводит к

• улучшению показателей дизеля и поэтому оптимальное . содержание

• концентрации ферроцена может быть рекомендована 0,04% (по массе).

Основные результаты и выводы

В результате проведенной работы можно сделать следующие выводы:

1. Дефицит, возникающий в потреблении топлив нефтяного происхождения может быть ликвидирован производством топлива из биомасс. В качестве биотоплива может быть предложено композиция из рапсового масла- и этилового спирта, обладающая хорошими энергетическими характеристиками и низкой стоимостью. Добавки спирта рекомендуются в .количестве до 30% по объему. Дальнейшее увеличение

' , добавки спирта снижает эффект уменьшения содержания оксидов азота в ■ отработавших газах дизеля и увеличивает продолжительность процесса сгорания.

2. Анализ процессов тепловыделения дизелей с разделенной и неразделенной камерам сгорания установил, что рабочий процесс дизелей с разделенной камерой сгорания, оснащенной штифтовым распылителем и горячей вставкой при применении биотоплив подвергается меньшим • искажениям, чем процесс дизелей с неразделенной камерой. Увеличение общей продолжительности процесса сгорания в дизелях с разделенной камерой составляет 13-15% против 18-20% у дизелей с неразделенной камерой сгорания, что приводит к более существенному ухудшению экономичности у дизелей с неразделенной камерой сгорания.

3. Применения биотоплив приводит к значительному увеличению периода задержки воспламенения. При значениях степени сжатия 14,5-

16,5 (широко применяющихся в дизелсстроенин) увеличение периода задержки воспламенения рапсового масла и биотоплив с содержанием спирта 10 и 30% по отношению к дизельному топливу составляет 18-20%. Поэтому при применении биотоплива с целью сохранения периода задержки воспламенения на уровне 0,5-г0,7 мс необходимо переходить на высокие степени сжатия (19+22 единиц).

4. При работе на биотопливе дизель сохраняет свои функциональные свойства. Мощность и экономичность дизеля при этом уменьшается пропорционально уменьшению энергоемкости цикловой подачи топлива. Для компенсации мощности необходимо увеличивать цикловую подачу на 12-16% и угол опережения впрыска на 4-6° пкв. Для дизелей 1590Л увеличение цикловой подачи составляет 14%, угла опережения впрыска 6°икв.

5 Сравнительный анализ характеристик тепловыделения показал, что добавка спирта увеличивает скорости тепловыделения в кинелгической фазе сгорания по отношению к смеси дизельного топлива и рапсового масла. В челом применение биотоплива приводит к увеличению общей продолжительности сгорания, при этом основную поль играет уменьшение скорости сгорания во второй, (диффузионной) части сгорания. Для уменьшения общей продолжительности сгорания целесообразно применять металло - содержащие присадки. Применение ферроцена Лг(СУ/)10 приводит к сокращению общей продолжительности сгорания на 10-12%.

6. Содержание токсичных компонентов (N0, и сажи) при применении биотоплива существенно уменьшается по сравнению с их содержанием в ОГ дизеля, работающего на дизельном топливе (содержание сажи уменьшается на 50%, оксидов азота на 12%).

Али Абдо Хадрус

«Экономия энсргоресурсов н улучшение экологических показателен дизеля путем применения биотоплива растнтслышго происхождении».

В качестве тогшта для дизелей-вместо традиционного нефтяного топлива предлагаются композиции биотоплива, состоящего из рапсового масла и спирта. Содержание спирта не должно превышать 30 %. При увеличении содержания спирта свыше 30 % необходимо использовать в качестве присадки ферроцен в количестве 0,04 % (по массе). Применение биотоплива наиболее целесообразно в дизелях с разделенной камерой сгорания и степенью сжатия -19-22 единицы.

Ali Abdou Hadrous

«Economy of fuel recourses and improve ecology endex of exhaust gas

diesel by use put in practic of biofuel»

The author has suggested method of application biofuel in diesel. Biofuel is composition rapse oil and alcohol in correlation ratio 30 %. Two conditions are necessary from organization working process: rise compression ratio to 19 - 22 and application pre-chamber. Biofuel are recommended for practical use in diesel, anable to reduce the content of nitrogen oxide in exhaust gases by 12 %, soot by 50 %.

Попп^отчл p, п-ччть IP.0?.99г. объем I п.л. тио.ЮО rsv<. 18?. v.". Сг>п»он!!-'ияяв 3, Типогоч*ич РУЛН