Двигатель на рапсовом масле

       Наличие атомарного кислорода топлива позволяет снизить дымность отработавших газов за счет более равномерного распределения кислорода по объему окисляющегося топлива.

       В то же время наличие кислорода  в топливе снижает количество теплоты, вводимой в цикл при равной цикловой порции, что будет предопределять снижение мощности.

       Анализ  экологических показателей двигателей свидетельствует о снижении токсичных выбросов при работе на рапсовом масле. Окись углерода СО (угарный газ) на всех режимах по нагрузке снижается примерно в 2 раза, выбросы углеводородов СН также ниже в 2 раза, количество твердых частиц (дымность) на режиме максимальной нагрузки меньше в 2 раза, дымность на режиме малой нагрузки снижается до 0. Исключение составляют окислы азота NOx, выбросы которых на режиме максимальной нагрузки при работе на биотопливе возрастают на 8%. Это, по-видимому, обусловлено наличием в биотопливе связанного кислорода.

     Перевод судового дизеля на рапсовое масло  целесообразен для судов, которые имеют возможность им бункероваться в необходимых количествах. Проблема состоит в том, что для грузового флота требуются огромные объемы топлива, но пока не существует специализированных заправок рапсом. Логичным решением является использование этого альтернативного вида топлива на судах, которые осуществляют его транспортировку.

4. Оценка влияния физических показателей альтернативных топлив на характеристики впрыскивания и распыливания

       Анализ применения растительного масла в качестве топлива судового дизеля не может быть осуществлен без расчетной оценки влияния физических показателей альтернативных топлив на их характеристики впрыскивания и распыливания. По сведениям исследователей Национального технического университета “Харьковский политехнический институт”, с учетом отличия физико-химических свойств альтернативных топлив, можно применить к альтернативным топливам разработанную математическую модель процессов смесеобразования и сгорания жидких углеводородных топлив нефтяного происхождения.

       К физическим свойствам топлива, оказывающим  влияние на динамику топливной струи  и мелкость распыливания при прочих равных условиях, относятся вязкость, поверхностное натяжение и плотность. При повышении вязкости возрастает дальнобойность топливной струи, что уменьшает долю объемного смесеобразования и приводит к попаданию на стенки камеры сгорания большего количества топлива. С понижением вязкости топлива средний диаметр капель топлива уменьшается и становится более однородным распыл. Однако при этом угол рассеивания топливной струи увеличивается, а дальнобойность уменьшается. Чем выше поверхностное натяжение, тем более устойчива капля к воздействию внешних сил и тем больше ее размеры. Чем меньше поверхностное натяжение, тем тоньше и однороднее распыливание топлива, что способствует ускорению процессов смесеобразования и сгорания.

       К физическим характеристикам топлива, оказывающим влияние на процессы его испарения и выгорания, можно отнести среднюю объемную температуру кипения по характеристикам разгонки топлива, критические температуру и давление фазового перехода жидкого топлива в пар и др. С учетом отличия этих характеристик альтернативных топлив от характеристик дизельных топлив можно определить константу испарения топлива и по кинетическим уравнениям испарения и выгорания распыленного топлива, рассчитать характеристики тепловыделения на участках впрыскивания, развитого диффузионного горения и догорания.

       В связи со сложностью протекания физико-химических процессов в цилиндре дизеля, теоретические соотношения, полученные на основании законов химической кинетики, необходимо дополнить эмпирическими коэффициентами, учитывающими особенности протекания процесса сгорания в цилиндре дизеля. Значения этих коэффициентов можно получить путем идентификации математической модели процесса сгорания альтернативных топлив по экспериментальным характеристикам тепловыделения. Это безусловно требует проведения экспериментальных исследований по оценке влияния характеристик альтернативных топлив на процессы смесеобразования и сгорания, а также показатели работы двигателя.

       При создании и разработке математической модели смесеобразования и сгорания альтернативных жидких углеводородных топлив (метанол, этанол, рапсовое масло, метилэфир рапсового масла и другие) используются математические выражения и критериальные зависимости, предложенные А.С. Лышевским и уточненные Н.Ф. Разлейцевым применительно к быстроходным форсированным дизелям. Нами была проведена оценка возможности использования критериальных зависимостей для определения дальнобойности l_Т и угла раскрытия топливной струи g_Т, мелкости распыливания d_T применительно к жидким альтернативным топливам. В математических выражениях присутствуют такие физические параметры топлива как плотность топлива r_Т, динамическая вязкость m_Т и поверхностное натяжение s_Т. Для стандартного (летнего) дизельного топлива вышеуказанные параметры имеют такие значения: r_Т = 860 кг/м³; m_Т = 3,8´10^-3 Па×с;  
s_Т = 28´10^–3 н/м. При получении А.С. Лышевским критериальных зависимостей использовались данные опытов с жидкостями, для которых r_Т, m_Т и s_Т изменялись в пределах: r_Т = (0,7…0,93)´10³ кг/м³; m_Т = (0,4…89,7)´10^–3 Па∙с;  
s_Т = (22…30,7)´10^–3 н/м.

       Исходя  из того, что для жидких альтернативных топлив r_Т, m_Т и s_Т не выходят за пределы крайних значений указанных величин (например, для рапсового масла r_Т = 917 кг/м³; m_Т = 69´10^–3 Па∙с), можно сделать вывод о том, что характеристики впрыскивания и динамику развития струи можно рассчитывать по критериальным зависимостям А.С. Лышевского.

5. Цели  и задачи дипломного проекта

       Цель: улучшение эколого-экономических показателей судового дизеля 6NVDS48A-2U путем применения альтернативнго топлива (растительное масло) и его смесей с дизельным топливом.

       Задачи:

• расчет нагрузочных характеристик дизеля;
• расчет винтовых характеристик дизеля;
• разработка системы топливоподготовки;
• расчет рабочего цикла дизеля, при работе на дизельном топливе и топливных смесях;
• расчет вредных выбросов;
• расчет экономической эффективности.

2. Расчетная часть

1. Расчет рабочего цикла дизеля 6 NVDS48A-2U при работе на дизельном топливе и топливных смесях с различным содержанием рапсового масла

1. Анализ  рабочего цикла дизеля 6 NVDS48A-2U при различном содержании рапсового масла в топливной смеси

       Определение цетанового числа смеси

       ЦЧ = ЦЧ_диз·g_диз+ЦЧ_рм·g_рм                                             (2.1)

       где ЦЧ_диз – цетановое число дизельного топлива; g_диз – доля дизельного топлива в смеси, кг/кг; ЦЧ_рм – цетановое число рапсового масла; g_рм – доля рапсового масла в смеси, кг/кг.

       Определение плотности смеси:

       ρ_смеси = ρ_диз·G_диз + ρ_рм·G_рм                                            (2.2)

       где ρ_диз – плотность дизельного топлива, кг/м³; G_диз – доля дизельного топлива в смеси, кг/м³; ρ_рм – плотность рапсового масла, кг/м³; G_рм – доля рапсового масла в смеси, кг/м³.

       Определения содержания элементов в смеси: C, H, O, S:

       С_смеси = С_диз·с_диз + С_рм·с_рм                                             (2.3)

       где С_диз – содержания углерода в дизельном топливе, кг; с_диз - доля дизельного топлива в смеси, кг/кг; С_рм – содержания углерода в рапсовом масле, кг; с_рм – доля рапсового масла в смеси, кг/кг.

       H_смеси = H_диз·h_диз + H_рм·h_рм                                             (2.4)

       где H_диз – содержания водорода в дизельном топливе, кг дизельного топлива; h_диз - доля дизельного топлива в смеси, кг/кг; H_рм – содержания водорода в рапсовом масле, кг; h_рм – доля рапсового масла в смеси, кг/кг.

       О_смеси = О_диз·о_диз + О_рм·о_рм                                             (2.5)

       где О_диз – содержания кислорода в дизельном топливе, кг; о_диз - доля дизельного топлива в смеси, кг/кг; О_рм – содержания кислорода в рапсовом масле, кг; о_рм – доля рапсового масла в смеси, кг/кг.

       S_смеси = S_диз·s_диз + S_рм·s_рм                                             (2.6)

       где S_диз – содержания серы в дизельном топливе, кг; s_диз - доля дизельного топлива в смеси, кг/кг; S_рм – содержания серы в рапсовом масле, кг; s_рм – доля рапсового масла в смеси, кг/кг.

       Данные  расчетов занесены в таблицу 2.1.

       Таблица 2.1 – Характеристики топливных смесей

       Исследования  рабочего цикла дизеля проводились  на персональном компьютере с помощью программы “Тriton” разработанной на кафедре специальных технических дисциплин Иртышского филиала НГАВТ.

       Для проведения анализа рабочего цикла – в программу были введены следующие параметры:

       Мощность - ………………………………………………….…640 кВт;

       частота вращения коленвала - …………………………...375 об/мин;

       номинальная степень сжатия - ………………………….………...13.2;

       диаметр цилиндра - …………………………………………..…320 мм;

       ход поршня - ……………………………………………….……480 мм;

       длина шатуна - ……………………………………………….….960 мм;

       удельный  эффективный расход топлива - …………….215.6 г/(кВт ч);

       максимальное  давление сгорания - ……………………....…..6600 кПа;

       число цилиндров - ………………………………………………...……6;

       атмосферное давление - ……………………………....…736 мм. рт. ст.;

       температура атмосферного воздуха - ……………………...……..27^о С;

       относительная влажность воздуха - ………………………………60 %;

       масса углерода в 1 кг топлива - …………………………...……0,870кг;

       масса водорода в 1 кг топлива - ……………………………...…0,126кг;

       масса кислорода в 1 кг топлива - …………………………….....0,004кг;

       масса серы в 1кг топлива - ……………………………………..…...0 кг;

       массовое  содержание воды в ВТЭ - …………………..…0 кг/(кгВТЭ);

       плотность топлива - ……………………………………..…….840кг/м³;

       цетановое число - ………………………………………….…………45;

       заданная  частота вращения - …………………………...….375 об/мин;

       давление  наддува - ……………………………………...…..0,5 кгс/см²;

       диаметр распыливающего отверстия - …………………...……0,45мм;

       температура надувочного воздуха - ……………………………..35 ⁰С;