Optimization of the main parameters of the diesel engine during its operation on the multicomponent biofuel composition

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Среди множества известных альтернативных источников энергии особую роль играют биотоплива [1–4]. Они производятся обычно из возобновляемых ресурсов растительного и животного происхождения [5], в связи с чем вызывают повышенный интерес исследователей. Ввиду того, что физико-химические свойства биотоплив существенно отличаются от свойств традиционного дизельного топлива (ДТ) [6], необходима адаптация конструкции двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Наиболее приемлемым путем может быть расширение применяемости альтернативных топлив за счет приближения свойств биотоплив к свойствам ДТ. Использование многокомпонентных биотопливных композиций также может компенсировать отклонение моторного свойства одного ингредиента за счет другого. В результате длительных испытаний к применению был рекомендован состав многокомпонентной биотопливной композиции, включающей следующие ингредиенты, %, масс: РМ – 34,5; этанол – 31,0; ДТ – 34,5 [7]. Стабильность названного состава к коалесценции составляет до 35 ч. Применение предлагаемого состава позволяет также сохранять вязкостно-температурные свойства биотопливной композиции при изменении температуры окружающего воздуха в рамках действующего стандарта [8].

Для качественного анализа рабочих процессов дизеля весьма привлекательно применение современных методов планирования эксперимента [9]. Это позволит наглядно определить допустимые эксплуатационные интервалы его работы при значительном сокращении количества опытов. Кроме того, появляется возможность оценки влияния одних режимных факторов на другие.

Так, исследователями работы [10] разработан алгоритм оптимизации многофакторных планов эксперимента методом ветвей и границ с введением ограничения по дополнительному критерию. Алгоритм позволяет учитывать критерий ограничения, которое накладывается, например, на временную реализацию построенного плана многофакторного эксперимента, либо на величину стоимости плана. Реализация представленного алгоритма позволяет находить два альтернативных плана: с минимальным значением первого критерия, с минимальным значением дополнительного критерия ограничения.

С целью аналитического и графического описания исследуемых процессов, изучения влияния факторов на критерии оптимизации и поиска оптимального сочетания изучаемых факторов в работе [11] был использован метод поверхностей отклика. На основе анализа полученных данных удалось смоделировать разброс параметров транзисторов в процессе производства.

В работе [12] авторами исследовался состав бентонита, применяемого в самоупрочняющемся цементе с целью улучшения его свойств. Применение плана эксперимента Бокса – Бенкена позволило определить оптимальное сочетание ингредиентов самоупрочняющегося цемента для достижения максимальной прочности на сжатие (свыше 45 МПа). Установлено, что состав цемента должен содержать 20% бентонита, соотношение воды к порошку должно равняться 0,45.

На кафедре технологий Нишского университета [13] проводились исследования по оптимизации условий метанолиза подсолнечного масла в ультразвуковом реакторе. На основе использования плана эксперимента Бокса – Бенкена были получены поверхности отклика. Проведенный качественный анализ результатов достоверно обосновал необходимость значения температуры около 40°С, количества катализатора – 0,7% (в массовых долях), содержания метиловых эфиров жирных кислот (FAME) на уровне 92,2% и молярного отношения метанола к маслу 7,5:1.

Авторы работы [14] исследовали режим работы индуктора, включающий параметры: частоту f, зазор h и плотность тока J. Методом планирования эксперимента на основе плана Бокса – Бенкена было обозначено оптимальное сочетание факторов: f=1000 Гц, h=5 мм, J=45 мм, обеспечивающее требуемую производительность индуктора в условиях, определенных технологическим режимом.

В работе [15] исследовался процесс гидролиза пшеничного глютена (содержание влаги – 6,8%, содержание белка (N 5,70) – 78,52% в пересчете на сухое вещество). Глютен применяется для улучшения качества хлеба, а также в качестве функциональной белковой добавки при производстве различных продуктов питания (например, мясоперерабатывающее производство) с целью улучшения их структуры. Применение плана эксперимента Бокса – Бенкена позволило найти оптимальные рабочие технологические параметры для ферментативного гидролиза пшеничного глютена. Данные показали, что оптимальные функциональные свойства гидролизатов глютена могут быть достигнуты при температуре реакции, равной 40 °С, кислотности среды pH=9 и при отношении фермент – глютен, равном 0,5 а.е/г глютена.

В работе [16] авторами исследовался процесс удаления свинца из угля (процесс выщелачивания), добытого в Энугу, с использованием в качестве выщелачивателя различных кислот в различных условиях. Выщелачивание образцов угля перед сжиганием или перед использованием для работы на электростанции необходимо для удаления большей части микроэлементов в этом угле, тем самым уменьшается риск экологического загрязнения. На основе применения ортогонального плана эксперимента второго порядка Бокса – Бенкена были получены параметры, обеспечивающие максимальное выщелачивание угля. Установлена необходимость использования азотной кислоты HNO₃ в концентрации 0,5 моль, при этом время выщелачивания составляет 32 ч, допустимый размер частиц угля – 63 мкм и потребный объем выщелачивающего вещества (соотношение твердое вещество – жидкость) не превышает 40 мл.

Целью исследований является определение оптимальных режимных характеристик работы дизеля на многокомпонентной биотопливной композиции.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Лабораторные опыты оценки стабильности состава биотопливной композиции производились в химической лаборатории ФГБОУ ВО Вятский государственный университет. Экспериментальные исследования проводились в испытательной лаборатории УО Белорусская государственная сельскохозяйственная академия.

Общий вид и перечень используемого оборудования и приборов представлен на рис. 1 и в табл. 1.

 

Рис. 1. Общий вид используемого оборудования и приборов: a – пульт управления дизелем; b – дизель Д-245 на стенде. / Fig 1. General view of the equipment and devices used: a – control panel of a diesel engine; b – The D-245 diesel engine mounted on the test bench.

 

Таблица 1. Приборы и оборудование в составе экспериментальной установки / Table 1. Devices and equipment as a part of the experimental installation

Вид исследования	Оборудование	Тип, марка	Примечание
Время физической стабильности	Секундомер	СОП Пр-2а-2-010 «АГАТ»	Точность ± 0,1 сек
Стендовые испытания	Автотракторный дизель	Д-245.5S2	Мощность 70 кВт
Топливная экономичность	Расходомер	АИР-50	Точность ± 1 %
Частота вращения	Тахометр	AVL DIS-peed 492	Точность ± 5 мин-1
Нагрузка дизеля	Весовое устройство	RAPIDO	Погрешность ± 0,2 кг

 

С целью описания факторного пространства регрессионными моделями, выявления закономерностей влияния нагрузочного и скоростного режима работы дизеля на его эффективные показатели (эффективный КПД η_e, удельный эффективный расход топлива g_e) и определения оптимальных значений факторов был выбран и реализован почти ротатабельный план Бокса – Бенкена второго порядка для трех факторов. Факторы и их уровни (табл. 2) выбирались методом априорного ранжирования на основании результатов однофакторных экспериментов.

 

Таблица 2. Факторы, уровни фиксирования и интервалы их варьирования / Table 2. Factors, levels of fixation and intervals of their variation

Кодированное обозначение факторов	Название факторов, их обозначение и единица измерения	Уровни факторов			Интервалы варьирования
		1	0	+1
х1	Эффективная нагрузка, Pe, МПа	0	0,47	0,94	0,47
х2	Частота вращения коленчатого вала, n, мин-1	400	600	1800	200
х3	Угол Ѳ опережения впрыскивания топлива, градус	10	18	26	8

 

Статистическую обработку данных эксперимента, расчет коэффициентов регрессии, построение поверхностей отклика и их двумерных сечений проводили при помощи программы STATGRAPHICS+ [17].

АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ

В результате реализации опытов плана эксперимента были получены адекватные (по F-критерию Фишера, вероятность р=0,95) [18, 19] модели регрессионного анализа второго порядка изменения эффективного КПД η_e и удельного эффективного расхода топлива g_e:

${\eta }_e=\mathrm{33,0}+\mathrm{15,3}{x}_1-\mathrm{1,3}{x}_2+\mathrm{0,5}{x}_3-\mathrm{12,3}{x_1}^2-\mathrm{0,7}{x}_1\cdot x_2+\mathrm{0,6}{x}_1\cdot x_3-\mathrm{0,06}{x_2}^2-\mathrm{0,1}{x}_2\cdot x_3-\mathrm{0,7}{x_3}^2;$ (1)

$g_e=\mathrm{258,7}-\mathrm{230,6}{x}_1+\mathrm{9,8}{x}_2-\mathrm{3,8}{x}_3+\mathrm{208,1}{x_1}^2+\mathrm{4,3}{x}_1\cdot x_2-\mathrm{4,2}{x}_1\cdot x_3+\mathrm{0,3}{x_2}^2+\mathrm{0,6}{x}_2\cdot x_3+\mathrm{4,8}{x_3}^2.$ (2)

Как видно, часть присутствующих коэффициентов несущественно влияет на результат эксперимента и их можно исключить из рассмотрения.

После исключения из регрессионных моделей (1) и (2) незначимых коэффициентов и пересчета оставшихся уравнения примут вид:

${\eta }_e=\mathrm{33,0}+\mathrm{15,3}{x}_1-\mathrm{1,3}{x}_2+\mathrm{0,5}{x}_3-\mathrm{12,3}{x_1}^2-\mathrm{0,7}{x}_1\cdot x_2+\mathrm{0,6}{x}_1\cdot x_3-\mathrm{0,7}{x_3}^2;$ (3)

$g_e=\mathrm{258,7}-\mathrm{230,6}{x}_1+\mathrm{9,8}{x}_2-\mathrm{3,8}{x}_3+\mathrm{208,1}{x_1}^2+\mathrm{4,3}{x}_1\cdot x_2-\mathrm{4,2}{x}_1\cdot x_3+\mathrm{4,8}{x_3}^2.$ (4)

Анализ регрессионных моделей (3) и (4) показывает (рис. 2), что максимальное в изучаемой области экспериментирования значение эффективного КПД η_e=39,6% и минимальный удельный эффективный расход топлива g_e=180,2 г/кВт×ч наблюдаются при практически одинаковых значениях изучаемых факторов.

 

Рис. 2. Двумерные сечения поверхностей отклика при угле опережения впрыскивания топлива Ѳ_впр.=23,5 град.: a – удельный эффективный расход топлива g_e; b – эффективный КПД η_e. / Fig. 2. Bidimensional sections of response surfaces at the fuel injection advance angle Ѳ_inj=23.5 deg: a – specific effective fuel consumption g_e; b – effective efficiency η_e.

 

Так, максимальное значение КПД η_{e max} достигается при х₁=0,7 (P_e=0,66 МПа), х₂=-1 (n=1400 мин^-1) и х₃=0,6 (Ѳ_впр.=23,5 градуса до ВМТ). Минимальное значение удельного эффективного расхода топлива g_emin получается при значениях факторов х₁=0,6 (P_e=0,56 МПа), х₂=-1 (n=1400 мин^-1) и х₃=0,6 (Ѳ_впр.=23,5 град. до ВМТ).

Полученные результаты имеют под собой реальный физический смысл. Присутствие в многокомпонентной биотопливной композиции этилового спирта и масла рапса вызывает определенное снижение ее суммарного цетанового числа. В процессе работы дизеля будет иметь место рост периода задержки воспламенения топлива и «заваливание» процесса сгорания за ВМТ. Для компенсации возникающих процессов потребуется некоторое увеличение установочного угла опережения впрыскивания топлива относительно его штатного значения Ѳ_впр.=22 град.

Работа автотракторного дизеля наиболее экономична в режиме перегрузки, т. е. в интервале снижения частоты коленчатого вала от номинального значения n=1800 мин^-1 до значения частоты вращения при максимальном крутящем моменте n=1400 мин^-1.

Наиболее значимо, как на уровень эффективного КПД η_e, так и на значение удельного эффективного расхода топлива g_e и вполне закономерно оказывает влияние изменение эффективной нагрузки P_e. Причем зависимости параметров η_e и g_e от параметра P_e имеют перегиб при P_e=0,5…0,7 МПа и варьировании двух оставшихся факторов во всей исследуемой области экспериментирования.

Данный результат может быть объяснен тем обстоятельством, что наиболее экономичная работа поршневого ДВС обычно достигается в интервале нагружения, составляющем 60…80% от номинального значения нагрузки.

Например, при частоте вращения коленчатого вала дизеля n=1400 мин^-1 и угле опережения впрыскивания топлива Ѳ_впр.=23,5 град. до ВМТ, изменение эффективной нагрузки от 0,47 МПа до 0,6 МПа приводит к увеличению эффективного КПД η_e от 5,6% до 39,6% и уменьшению удельного эффективного расхода топлива g_e от 694 г/кВт×ч до 180 г/кВт×ч (рис. 3). При дальнейшем увеличении эффективной нагрузки P_e до 0,94 МПа значение эффективного КПД η_e уменьшается до уровня 38,2%, а значение удельного эффективного расхода топлива g_e увеличивается до 220 г/кВт×ч.

 

Рис. 3. Зависимости от эффективной нагрузки P_e и частоты n вращения коленчатого вала при угле опережения впрыскивания топлива Ѳ_впр.=23,5 градуса: a – эффективный КПД η_e; b – удельный эффективный расход топлива g_e. / Fig. 3. Dependencies on effective load P_e and crankshaft rotation speed n at the fuel injection advance angle Ѳ_inj=23.5 deg.: a – of effective efficiency η_e; b – of specific effective fuel consumption g_e.

 

Поиск компромиссного решения по оптимальному сочетанию уровней изучаемых факторов проводили методом наложения двумерных сечений поверхностей отклика эффективного КПД η_e и удельного эффективного расхода топлива g_e (рис. 4).

 

Рис. 4. Двумерные сечения поверхностей отклика эффективного КПД η_e (сплошные линии) и удельного эффективного расхода топлива g_e (пунктирные линии) при угле опережения впрыскивания топлива Ѳ_впр.=23,5 град. / Fig. 4. Bidimensional sections of response surfaces of the effective efficiency η_e (solid lines) and the specific effective fuel consumption g_e (dashed lines) at the fuel injection advance angle Ѳ_inj=23.5 deg.

 

Из графиков видно, что оптимальная область сочетания изучаемых факторов (заштрихованная область на рис. 4) находится в диапазоне варьирования частоты вращения коленчатого вала дизеля n=1400…1550 мин^-1 и диапазоне изменения эффективной нагрузки P_e=0,68…0,85 МПа при угле опережения впрыскивания топлива Ѳ_впр.=20…25 град. до ВМТ. При данном сочетании значений факторов обеспечивается практически максимальный в области экспериментирования эффективный КПД η_e (не менее 38%) при невысоком удельном эффективном расходе топлива g_e – не более 200 г/кВт×ч.

ВЫВОДЫ

Оптимизирована методика определения оптимальных нагрузочных и скоростных диапазонов работы дизеля на биотопливной композиции многокомпонентного состава за счет применения плана эксперимента и описания факторного пространства математическими моделями при сокращения количества опытов.

Оптимальная область сочетания факторов находится в диапазоне варьирования частоты вращения коленчатого вала дизеля n=1400…1550 мин^-1 и эффективной нагрузки P_e=0,68…0,85 МПа при угле опережения впрыскивания топлива Ѳ_впр.=23,5 град. до ВМТ.

Учитывая переменный характер нагрузочных и скоростных режимов дизеля в условиях реальной эксплуатации, представляют практический интерес данные работы дизеля в составе машинотракторного агрегата.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. С.А. Плотников — общее руководство, постановка задач исследования, утверждение финальной версии; А.Н. Карташевич — подготовка методической и приборной базы исследований, экспертная оценка материала; М.В. Симонов — теоретическая разработка проблемы; А.И. Шипин — проведение практического эксперимента, написание текста рукописи. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли равноправный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contribution. S.A. Plotnikov – general guidance, setting research objectives, approval of the final version; A.N. Kartashevich – preparation of the methodological and instrumental base of research, expert opinion; M.V. Simonov – theoretical development of the problem; A.I. Shipin – conducting a practical experiment, writing the text of the manuscript.

All authors certify that they meet the ICMJE international criteria for authorship.

Competing interests. The authors declare no any transparent and potential conflict of interests in relation to this article publication.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

About the authors

Sergey A. Plotnikov

Vyatka State University

Author for correspondence.
Email: PlotnikovSA@bk.ru
ORCID iD: 0000-0002-8887-4591
SPIN-code: 4899-9362
ResearcherId: R-8491-2016

Associate Professor, Dr. Sci. (Engin.), Professor of the Mechanical Engineering Technology Department

Russian Federation, 36 Moskovskaya Str., Kirov, 610000

Anatoliy N. Kartashevich

Belarusian State Agricultural Academy

Email: Kartashevich@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-3649-1521
SPIN-code: 8541-5330

Dr. Sci. (Engin.), Professor, Head of the Tractors, Vehicles and Machines for Environmental Management Department

Belarus, Gorki

Maksim V. Simonov

Vyatka State University

Email: simaksim@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3805-9246
SPIN-code: 1216-7568
ResearcherId: F-7895-2018

Associate Professor, Dr. Sci. (Engin.), Associate Professor of the Mechanical Engineering Technology Department

Russian Federation, Kirov

Alexandr I. Shipin

Vyatka State University

Email: shipin95@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-9678-9389
SPIN-code: 2676-6575

Postgraduate of the Mechanical Engineering Technology Department

Russian Federation, Kirov

References

Supplementary files