Алтайский Краевой Инновационный Банк Данных
Министерство экономического развития Алтайского края
Управление инновационного развития и кластерной политики 
Алтайский Центр
Кластерного Развития
Инновации

Исследование процессов смесеобразования и сгорания в дизелях с целью повышения эффективности и снижения токсичности при использовании биотоплив

Отношение к критическим технологиям:
Технологии производства топлив и энергии из органического сырья


Контактная информация

Название организации
ФГБОУ ВПО "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова"


ФИО руководителя организации
Ситников Александр Андреевич


Юридический адрес
656038, Россия, г. Барнаул, пр. Ленина, 46


Почтовый адрес
656038, Россия, г. Барнаул, пр. Ленина, 46


ФИО руководителя проекта:
Сагалаков Анатолий Михайлович


Аннотация проекта

Постановка и описание научной или научно-технической проблемы, решаемой в рамках Проекта
Истощение запасов нефти и повышение цен на традиционные моторные топлива вынуждают двигателестроителей искать им замену. К этому же подталкивает и постоянно ужесточающееся требование к снижению токсичности отработавших газов. Поэтому необходимо находить альтернативные топлива. Из всех видов альтернативных топлив на далекую перспективу самыми интересными будут, по всей видимости, топлива из возобновляемых ресурсов. Хотя себестоимость растительных компонентов дизтоплива несколько выше, чем у их нефтяных аналогов, однако в перспективе ценовая разница будет нивелироваться. Это объясняется постоянным ростом цен на «черное золото». Качество работы двигателя внутреннего сгорания определяется, прежде всего, высокой топливной экономичностью и минимальным содержанием токсичных веществ и твердых частиц в отработавших газах. Целью настоящей работы является оптимизация процессов смесеобразования и сгорания возобновляемых биотоплив в дизелях с применением современных систем, позволяющих получать высокие давления впрыска (до 150-200 МПа) в зависимости от режима и условий работы двигателя. Для этого необходимо изучить влияние повышенного давления впрыска топлива на условия смесеобразования биотоплив в дизелях. Целевыми ориентирами настоящего исследования является удовлетворение требований на мировом уровне, предъявляемых к процессу распыливания топливных струй для дизельных форсунок по таким параметрам как длина, скорость, однородность топливной струи, сокращение времени впрыска топлива. Конкурентоспособность современного двигателя на мировом рынке обеспечивается широким спектром показателей качества его работы при умеренных ценах. Из показателей качества главными остаются: высокая топливная экономичность и минимальное содержание токсичных веществ и твердых частиц в отработавших газах. Это диктуется дефицитом исходного сырья для производства традиционных топлив для ДВС и стремлением сохранить благоприятную среду обитания человека. Особенность развития двигателя на данном этапе состоит в том, что задачи повышения топливной экономичности и снижения токсичности должны решаться не порознь, а совместно, несмотря на противоречивость данных условий, а, следовательно, и мероприятий, обеспечивающих топливную экономичность и экологичность ДВС. Тем не менее, опыт показывает, что этого возможно достичь, используя комплекс взаимно уравновешивающих мероприятий. Среди них особое место по эффективности воздействия и достигаемым результатам принадлежит организации процессов смесеобразования и сгорания топлива как в дизелях, так и в бензиновых двигателях с применением систем, позволяющих получить высокие давления впрыска (до 150-200 МПа для дизелей), настраивать, оптимизировать и управлять смесеобразованием и сгоранием топлива в зависимости от режима и условий работы двигателя. В настоящее время в России и за рубежом актуальны практические аспекты использования в дизельных двигателях возобновляемых биотоплив из растительного сырья (в частности, натуральное рапсовое масло).


Современное состояние исследований в данной области науки, сравнение ожидаемых результатов с мировым
Перед учеными и инженерами сегодня поставлена важная проблема: исследовать и реализовать на практике новые методы получения и использования топлив, альтернативных топливам, получаемых из нефти, для нужд техники, оснащенной двигателями внутреннего сгорания, на фоне возрастающего загрязнения окружающей среды и энергетического кризиса. В этой связи актуальной является задача рационального, ресурсосберегающего и природосберегающего использования новых источников топлива. Дизельные двигатели прошли сложный эволюционный процесс от простейшей установки до сложнейшего агрегата, в котором использованы современные научные достижения. Сегодня двигатель внутреннего сгорания по-прежнему является важнейшим элементом современной техногенной цивилизации. В настоящее время во всем мире теоретически и экспериментально исследуются вопросы наиболее рационального использования в дизельных двигателях биотоплив из растительного сырья следующих видов: - натуральное рапсовое масло (в чистом виде) – исследования показали, что вследствие отличия физико-химических характеристик по сравнению с нефтяными топливами, оно обладает худшими моторными свойствами, поэтому для его использования необходима существенная конструктивная доработка дизельного двигателя; - смесевое топливо из растительных масел и дизельного топлива в различных пропорциях. Данный способ наименее затратен с экономической точки зрения, позволяет использовать биотопливо, обходясь только перерегулировкой двигателя. Однако данный способ ухудшает экономические и экологические характеристики двигателя. - применение чистого биотоплива, а также различных смесей на основе дизельного топлива, рапсового масла и этанола. Данный способ позволяет получить удовлетворительные экономические и экологические показатели работы стандартного дизельного двигателя. К недостатку относится повышенная стоимость получения данного вида топлива. Результаты настоящей работы должны определять рекомендации по способам повышения эффективности и снижения токсичности при использовании биотоплив. Наличие современного оборудования и современной вычислительной техники позволит авторам данной работы провести исследования и получить результаты мирового уровня.


Новизна подхода в решении обозначенной проблемы
Новизна состоит в усовершенствованном оптическом методе контроля качества распыливания топлива по показателю оптической неоднородности с использованием скоростной видеосъемки, с применением современных, а также авторских методов обработки цифровых изображений (кадров); в экспериментально найденных закономерностях поведения оптической неоднородности струи и её зависимости от давления впрыска, вида топлива и др. факторов; в рекомендациях по модернизации топливных систем высокого давления и по адаптации дизельных двигателей для работы на традиционных и возобновляемых топливах. Полученные результаты и программно-аппаратный комплекс не имеют аналогов в публикациях по подобным исследованиям с распылением биотоплив, проводимых в России и за рубежом.


Описание области применения результатов научно-исследовательской работы
Результаты предназначены для для разработчиков топливной аппаратуры по модернизации топливных систем, по использованию аккумуляторной системы типа Common Rail, с компонентами отечественного производства.


Имеющийся у коллектива научный задел по предлагаемому проекту, полученные ранее результаты, разработ
Теоретический задел. В работах руководителя проекта д.ф.-м.н., профессора Сагалакова А.М. исследованы устойчивость двухфазных течений вязкой жидкости, монодисперсной смеси. Установлено, что полнота и динамика процесса сгорания непосредственно связаны с характеристикой впрыска топлива в цилиндр, испарением, смесеобразованием и закономерностью выделения теплоты при сгорании топлива. Экспериментальный задел. На кафедре «ДВС» имеются лаборатория гидро-, термодинамики и теплопередачи, лаборатория топливной аппаратуры, лаборатория испытания двигателей, оснащенные многочисленным оборудованием. Для решения поставленных задач на кафедрах «ДВС» и «Экспериментальная физика» Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова были проведены следующие исследования и созданы следующие установки: моторная установка с системой «Common Rail» и оптический стенд исследования топливоподачи при высоком давлении; исследованы характеристики топливного факела дизельного топлива; изучены вопросы согласования топливного факела и геометрии камеры сгорания; разработана модель развития топливного факела дизеля как тела переменной массы, его самовоспламенения и горения как ансамбля одиночных капель; проведены моторные исследования дизельного двигателя с системой «Common Rail» с целью изучения различных параметров на процесс сгорания. Разработаны методы расчетно-экспериментального исследования процессов гидро-, термодинамики и теплопередачи; методы расчетно-экспериментального исследования топливной аппаратуры, процессов динамики распыленной топливной струи, процессов смесеобразования; методы расчетно-экспериментального исследования рабочего процесса двигателя; методы индицирования и оптического зондирования цилиндра; методы обработки индикаторной диаграммы на тепловыделение, анализа индикаторного КПД, экономичности; методы регистрации и анализа токсичности отработавших газов и др. При исследовании топливной аппаратуры кафедра «ДВС» АлтГТУ активно сотрудничает с промышленными предприятиями: ОАО «Барнаултрансмаш», изготовителем специальных двигателей; ЗАО «Алтайский завод прецизионных изделий», изготовителем гидравлических компонентов системы «Common Rail»; ООО «АБИТ», изготовителем блоков управления, что позволяет решить задачу оптимизации процессов смесеобразования и сгорания возобновляемых биотоплив в дизелях с применением систем, позволяющих получить высокие давления впрыска (до 150-200 МПа) в зависимости от режима и условий работы двигателя.


Перечень основных публикаций и публичных выступлений, в которых отражены достигнутые результаты научно-исследовательских работ по проекту
-


Перечень международных, федеральных, региональных и муниципальных конкурсов, в которых проект был признан победителем
-


Текущая стадия разработки проекта
Научно-исследовательская работа


Патентная чистота научно-технического задела, его защищенность
Планируется подача заявки на патент


Тип научно-исследовательской работы
Поисковые проблемно-ориентированные исследования


Описание основных ожидаемых научных результатов
На первый год: 1) Разработать стенд регистрации серии изображений струй распыленного форсункой топлива с синхронизацией и компьютерной обработкой изображений. 2) Провести экспериментальную апробацию созданного стенда и накопить банк изображений струй распыленного биотоплива для различных давлений впрыска. 3) Разработать компьютерную программу обработки изображений струи распыленной жидкости для получения характеристик скорости и неоднородности струи. 4) Выработать рекомендации для разработчиков топливной аппаратуры по модернизации топливных систем. 5) Провести экспериментальные исследования на дизеле УК-2 по смесеобразованию и сгоранию биотоплив с регистрацией параметров рабочего процесса и разработать практические рекомендации по производству и эксплуатации топливных систем. 6) Разработать рекомендации по адаптации дизельных двигателей для работы на традиционных и возобновляемых топливах. Результаты работы предназначены для повышения конкурентоспособности российских разработок в области двигателестроения, обеспечения эффективности их коммерциализации в Российской Федерации и за рубежом. На второй год: 1) Найти и объяснить корреляционную зависимость оптической неоднородности потока распыленного топлива со скоростью тепловыделения двигателя. 2) Получить экспериментальные данные по исследованию характеристик массопереноса потока распыленного дизельного и биотоплива для различных условий топливоподачи. 3) Получить экспериментальные данные эффективности воздействия повышенного давления впрыскивания традиционного и биологического топлив на параметры топливного факела и основные показатели качества работы двигателя и выработать рекомендации по оптимальному давлению впрыскивания, в зависимости от топлива и условий топливоподачи. 4) Получить экспериментальные данные для моделирования процессов развития топливного факела и рабочего цикла, подтверждения адекватности разрабатываемых численных моделей динамики развития, воспламенения и горения топливного факела дизеля.


Ожидаемая научная, научно-техническая продукция
Рекомендации для разработчиков топливной аппаратуры по модернизации топливных систем, а именно по использованию аккумуляторной системы типа Common Rail, с компонентами отечественного производства.


Срок реализации Проекта (месяцев)
24


Необходимый объем финансирования (тыс. руб.)
400


Ключевые слова

Нетрадиционные и альтернативные источники энергии, Топливная технология


Графические, презентационные, текстовые и иные материалы к проекту

-