Research of the combustion process in a tractor diesel engine when operating on alcohol and vegetable oil

Full Text

СПРАВОЧНАЯ ИНФОРМАЦИЯ.

Условные обозначения в подрисуночных надписях:

РМ – рапсовое масло

Э – этанол

КИВ – коэффициент избытка воздуха

КС – камера сгорания

ОГ – отработавшие газы

КПД – коэффициент полезного действия

ПЗВ – период задержки воспламенения

ВМТ – верхняя мертвая точка

УУОВ – установочный угол опережения впрыскивания

q_з – цикловая подача запального рапсового масла

G_Э – часовой расход этанола, кг/ч

G_РМ – часовой расход рапсового масла, кг/ч

G_ТΣ – суммарный расход топлива (этанол+рапсовое масло), кг/ч

n – частота вращения коленчатого вала дизеля, мин^-1

p_е – среднее эффективное давление, МПа

p_z – максимальное давление цикла, МПа

Θ_Э – установочный угол опережения впрыскивания этанола, град

Θ_РМ – установочный угол опережения впрыскивания рапсового масла, град

ВВЕДЕНИЕ

Неизбежность энергетического кризиса, вызванного неуклонным ростом потребления исчерпаемых энергоресурсов, вынуждает человечество искать альтернативные возобновляемые источники энергии, а активное их использование, безусловно, приведет к снижению экологического ущерба, наносимого окружающей среде при сгорании традиционных топлив в автотракторных мобильных энергетических средствах [1–3].

Автотракторный парк является одним из основных источников загрязнения окружающей среды, особенно в крупных городах, где его доля в суммарном загрязнении воздушного бассейна может превышать 90%, а его эксплуатация сопровождается значительным загрязнением токсичными компонентами, выделяемыми отработавшими газами (ОГ) мобильными энергетическими средствами всей окружающей среды (атмосферного воздуха, водной среды, почв, сельхозпродукции и т.д.) [4–6].

Поскольку Российкая Федерация обладает не только значительным потенциалом в области развития производства возобновляемых источников энергии, но и, в том числе, крупнейшей в мире площадью пахотных земель, то целесообразно рассматривать в качестве альтернативных источников энергии топлива с возможностью получения их из растительного сырья. Такими топливами, подходящими по своим физико-химическим характеристикам и свойствам для эффективного и экологичного сгорания в тракторном дизеле, являются этиловый спирт и рапсовое масло (РМ) [7, 8].

Цель работы – исследование процесса сгорания в тракторном дизеле, работающем на этиловом спирте и рапсовом масле, установление зависимостей влияния режимов работы тракторного дизеля на показатели процесса сгорания и определение их числовых характеристик.

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

В Вятском государственном агротехнологическом университете на базе кафедры тепловых двигателей, автомобилей и тракторов проведены исследования рабочего процесса и разработана модификация экспериментального образца тракторного дизеля Д-21А1 (2Ч 10,5/12,0) для работы на этиловом спирте и РМ с использованием раздельных систем топливоподачи [7–9]. Тракторный дизель оснащен полусферической камерой сгорания в поршне. Этанол использовался в качестве основного топлива и воспламенялся от, поступающей в камеру сгорания тракторного дизеля, струи РМ. Этиловый спирт имеет меньшую теплотворную способность по сравнению с дизельным топливом (ДТ), следовательно, возникла потребность в определении оптимальной цикловой подачи запальной порции РМ, при которой тракторный дизель устойчиво работает на всех режимах, и при этом эффективные, экологические показатели были бы оптимальными.

Минимальная подача запального топлива q_з, при которой двигатель работает без пропусков воспламенения на номинальном режиме работы составляет 8,3 мг/цикл (0,9 кг/ч) при n =1800 мин^-1 и 6,1 мг/цикл (0,51 кг/ч) при n =1400 мин^-1. С увеличением запальной порции РМ, соответственно, уменьшалась цикловая подача этилового спирта. Так, при минимальной подаче запального топлива расход этанола на номинальном режиме работы составил 7,3 кг/ч (67 мг/цикл ). При увеличении подачи РМ до 2,1 кг/ч (19,4 мг/цикл) расход этанола составил 5,2 кг/ч (48 мг/цикл). Наилучшие значения эффективных показателей работы двигателя достигаются при цикловой подаче РМ в диапазоне от 11 до 14 мг/цикл. На номинальном режиме работы при подаче запальной порции 11,7 мг/цикл суммарный расход топлива G_ТΣ =7,06 кг/ч, расход этанола, G_Э =5,81 кг/ч, суммарный удельный эффективный расход топлива g_еΣ =384,5 г/кВт, удельный эффективный КПД η_е =0,324 (рис. 1).

 

Рис. 1. Влияние величины запальной порции РМ на эффективные показатели тракторного дизеля Д21А1 (n =1800 мин^-1 и р_е = 0,588 МПа). / Fig. 1. The effect of the size of the ignition portion of rapeseed oil on the effective performance of the D21A1 tractor diesel engine (n =1800 min^-1 and р_е = 0.588 МPа).

 

На режиме максимального крутящего момента максимальный эффективный КПД η_е =0,334 был достигнут при q_з=12,5 мг/цикл. При этом суммарный расход топлива составил G_ТΣ =4,92 кг/ч, а расход этанола – G_Э =3,87 кг/ч. Дальнейшее увеличение цикловой подачи РМ ведет к уменьшению общего расхода топлив. Так, при цикловой подаче РМ q_з=15,5 мг/цикл расход этанола равен G_Э =3,54 кг/ч, соответственно, суммарный расход – G_ТΣ =4,84 кг/ч. Однако эффективный КПД при этом незначительно падает и составляет η_е =0,32. Максимальное значение коэффициента избытка воздуха (КИВ) было получено α =1,72 при q_з=11,7 мг/цикл при n =1800 мин^-1.

С ростом цикловой подачи этанола увеличивается длительность топливоподачи, тем самым замедляется процесс испарения, возникает больше переобогащенных зон в топливном факеле этанола, падает локальный КИВ в зоне термического распада. Вместе с тем, необходимо учитывать изменение геометрических параметров топливного факела, а также увеличение его объема. Одновременно с этим уменьшается подача РМ, ухудшается качество распыливания топлива в камере сгорания (КС) штифтовой форсункой. Вследствие чего растет период задержки воспламенения (ПЗВ), процесс сгорания смещается на линию расширения, растет температура ОГ. Все вышесказанное приводит к увеличению суммарной подачи топлива и снижению КИВ. Ввиду поздней инициации процесса сгорания уменьшается не только эффективный КПД, но и значительно падает тепловыделение, что свидетельствует о неполном сгорании топлива.

С увеличением цикловой подачи РМ улучшается характеристика распыла топлива, снижается неравномерность подачи по цилиндрам, уменьшается ПЗВ. При этом растет полнота сгорания топлива и эффективный КПД, растет осредненная температура газов в цилиндре (рис. 2, a), уменьшается степень гомогенизации смеси в начальный период сгорания, растет масса топлива, сгорающего в диффузионном пламени. При цикловых порциях РМ свыше 16 мг/цикл возрастает дальнобойность топливного факела, часть которого может осаждаться на стенках КС, что ухудшает процесс смесеобразования и приводит к повышенному суммарному расходу топлива и увеличению сажеобразования. С увеличением подачи запального топлива растет максимальное давление сгорания p_z от 5,24 МПа при цикловой подаче РМ q_з=8,3 мг/цикл до 6,44 МПа при q_з=19,4 мг/цикл на номинальной частоте вращения коленчатого вала (рис. 2, b).

 

Рис. 2. Влияние расхода РМ на показатели процесса сгорания: a – максимальной осредненной температуры газов, К; b – максимального индикаторного давления в цилиндре, Мпа. / Fig. 2. The influence of rapeseed oil consumption on the combustion process indicators: a – the maximal averaged gas temperature, K; b – the maximal indicator pressure in a cylinder, MPa.

 

При росте порции запального топлива свыше 16 мг/цикл процесс сгорания ухудшается, что отражается в снижении активного тепловыделения и росте суммарного количества потребляемого топлива. Это вызвано ростом количества запального топлива, попадающего на стенки КС. Увеличивается длительность испарения топлива и растет продолжительность сгорания.

Таким образом, экспериментально установлено, исходя из эффективных показателей дизеля целесообразно установить подачу запального топлива q_з=13 мг/цикл. С уменьшением величины запальной порции растет температура ОГ, удельный эффективный и суммарный расход топлива, ухудшается процесс сгорания. При увеличении запальной порции ухудшаются экологические показатели тракторного дизеля, растет дымность ОГ. Дальнейшие исследования проводились при цикловой подаче РМ q_з=13 мг/цикл, что соответствует часовому расходу РМ G_РМ =1,4 кг/ч на номинальном режиме работы.

После определения запальной порции РМ определялось оптимальное сочетание установочных углов опережения впрыскивания (УУОВ) РМ и этанола.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

УУОВ оказывает сильное влияние на процесс сгорания. Со смещением УУОВ запального топлива от верхней мертвой точки (ВМТ) с 30 градусов поворота коленчатого вала (п.к.в.) до 38 п.к.в. максимальное давление в цилиндре растет, точка отрыва диаграммы от линии сжатия и пиковое давление в цилиндре (p_z) смещается влево на 5 градусов п.к.в. (рис. 3, a). Рост давления с увеличением УУОВ РМ вызван интенсификацией горения топлива в окрестностях ВМТ.

 

Рис. 3. Давление газов в цилиндре тракторного дизеля при работе на этиловом спирте и РМ при различных УУОВ: а – Θ_E =34°; b – Θ_РМ =34°. / Fig. 3. The gas pressure in a cylinder of the tractor diesel engine when operating on ethanol and rapeseed oil at various setting angles of fuel injection advance: а – Θ_E =34°; b – Θ_RO =34°.

 

При изменении УУОВ этанола при постоянном моменте впрыска РМ смещение характерных точек на индикаторной диаграмме относительно ВМТ менее существенно (рис. 3, b). При раннем впрыске этанола индикаторное давление растет за счет выделения большего количества тепла в период гомогенного сгорания. Начало сгорания зависит от момента впрыска запального топлива, несмотря на то, что этанол ингибирует процесс воспламенения.

На рис. 4 представлены результаты двумерной регрессии экспериментальных данных измерения максимального давления газов в цилиндре p_z в зависимости от УОВТ при работе дизеля на этаноле и РМ.

 

Рис. 4. Изменение максимального давления сгорания в цилиндре дизеля Д21А1 при работе на этиловом спирте и РМ. / Fig. 4. Change in the maximum combustion pressure in a cylinder of the D21A1 diesel engine when operating on ethanol and rapeseed oil.

 

Экспериментально установлено, что изменение максимального давления при постоянном УУОВ этанола в зависимости от УУОВ РМ менее выражено, особенно при поздних углах подачи этанола. С увеличением УУОВ этанола растет и влияние УУОВ РМ. Максимальное значение p_z достигается при Θ_Э =38° и Θ_РМ =42° и составляет p_z =7,72 МПа.

Изменение УУОВ РМ вызывает соответствующее смещение функции осредненной температуры газов в цилиндре (рис. 5). При более ранней подаче пик температуры достигается раньше. Максимальная температура газов при этом существенно не меняется.

 

Рис. 5. Осредненная температура газов в цилиндре тракторного дизеля при работе на этиловом спирте и РМ: а – Θ_E =34°; b – Θ_РМ =34°. / Fig. 5. The averaged gas temperature in a cylinder of the tractor diesel engine when operating on ethanol and rapeseed oil: а – Θ_E =34°; b – Θ_RO =34°.

 

При постоянном УУОВ запального топлива, варьируя значения УУОВ этанола, мы наблюдаем рост максимальной индикаторной температуры газов в цилиндре при ранней подаче спирта. Это вызвано также приведенными выше причинами: энергетической насыщенностью порций топлива и разными цетановыми числами РМ и этилового спирта.

Максимальная температура газов растет с увеличением УУОВ этанола при всех УУОВ запального топлива. При поздних углах подачи РМ рост максимальной осредненной температуры газов в цилиндре более интенсивный, чем при ранних углах (Θ_РМ =42°). Наибольшие значения Tmax достигаются при Θ_Э =38° п.к.в. до ВМТ (рис. 6).

 

Рис. 6. Изменение максимальной осредненной температуры газов в цилиндре тракторного дизеля Д21А1 при работе на этаноле и РМ. / Fig. 6. Change in the maximal average gas temperature in a cylinder of the D21A1 tractor diesel engine when operating on ethanol and rapeseed oil.

 

Влияние УУОВ РМ на максимальную осредненную температуру газов в цилиндре имеет сложный характер. Это вызвано, в том числе, различной степенью сгорания топлив и увеличением подачи топлив при неэффективной организации процесса сгорания в цилиндре на неоптимальных УУОВТ. Наибольшие значения температур достигаются при Θ_РМ =30° и Θ_РМ =34° на ранних УУОВ этанола.

Анализируя значения основных показателей процесса сгорания p_Z и T_max в зависимости от УУОВ топлив можно отметить следующее:

• Значения этих параметров сильно зависят от УУОВ этанола и в меньшей степени от изменения УУОВ РМ.
• Слишком высокие значения максимального давления и осредненной температуры газов, при ранних УУОВ этанола, негативно сказываются на долговечности деталей двигателя, ведут к увеличению шумности работы дизеля и появлению стуков, повышается максимальная скорость роста давления в цилиндре.
• Слишком поздние углы подачи этанола сдвигают процесс сгорания на линию расширения, что приводит к росту температуры ОГ, повышенному удельному эффективному расходу топлива, снижению эффективного КПД.

При работе тракторного дизеля на этиловом спирте и РМ максимальное значение осредненной температуры газов T_max в цилиндре на максимальных нагрузках выше, чем при работе на ДТ (рис. 7, a) Равенство температур достигается при p_e =0,4 МПа. Вместе с тем, при малых нагрузках максимальная температура в цилиндре при работе тракторного дизеля на этаноле и РМ достигается значительно позднее, чем при работе на ДТ (рис. 7, c). Это признаки позднего сгорания, что является причиной снижения эффективности работы дизеля на этаноле и РМ на малых нагрузках. Увеличение подачи этанола улучшает процесс сгорания, угол максимальной температуры газов смещается к ВМТ, растет максимальная температура газов в цилиндре.

 

Рис. 7. Показатели процесса сгорания при работе тракторного дизеля Д21А1 в зависимости от нагрузки: a – максимальная осредненная температура газов в цилиндре; b – максимальное давление в цилиндре; c – угол п.к.в., соответствующий максимальной осредненной температуре газов в цилиндре град.; d – угол п.к.в., соответствующий максимальному давлению газов в цилиндре, град. / Fig. 7. Indicators of the combustion process during operation of the D21A1 tractor diesel engine depending on the load: a – the maximal averaged gas temperature in a cylinder; b – the maximal pressure in a cylinder; c – the crankshaft rotation angle corresponding to the maximal averaged gas temperature in a cylinder, deg; d –the crankshaft rotation angle corresponding to the maximal gas pressure in a cylinder, deg.

 

Также при работе двигателя на этаноле и РМ происходит более интенсивный рост максимального давления сгорания с увеличением нагрузки (рис. 7, b). Максимальное давление при p_e =0,115 МПа p_z =3,91 МПа, при p_e =0,692 МПа p_z =8,1 МПа. При нагрузках при p_e <0,500 МПа максимальное давление p_z в цилиндре при работе дизеля на альтернативных топливах ниже, чем при работе на ДТ. Значения максимального давления газов в цилиндре дизеля при работе на ДТ растет с p_z =5,1 МПа при p_e =0,115 МПа до p_z =7,85 МПа при p_e =0,692 МПа. Угол град. п.к.в. максимального давления в цилиндре при работе на этаноле и РМ достигается позднее на 2–5 градусов в зависимости от нагрузочного режима. Смещение угла максимального давления на максимальных нагрузках не приводит к снижению эффективности подвода тепла, напротив, это позволяет повысить эффективный КПД дизеля за счет снижения части тепла, подводимой до ВМТ, за счет уменьшения продолжительности интенсивного сгорания.

Рост максимального давления и максимальной осредненной температуры газов в цилиндре с увеличением нагрузки связан с повышением цикловой подачи этанола, почти полностью сгорающего в пламени гомогенной топливовоздушной смеси.

ВЫВОДЫ

Достигнуто полное замещение нефтяного дизельного топлива – альтернативными без внесения существенных изменений в конструкцию тракторного дизеля, улучшение его экологических характеристик при сохранении мощностных показателей на уровне серийного дизеля.

Доказано, что в исследуемом тракторном дизеле при работе на этиловом спирте и рапсовом масле необходимо руководствуясь эффективными показателями устанавливать подачу запального топлива q_з=13 мг/цикл. С уменьшением величины запальной порции растет температура ОГ, удельный эффективный и суммарный расход топлива, ухудшается процесс сгорания. При увеличении запальной порции ухудшаются экологические показатели тракторного дизеля, растет дымность ОГ.

По экспериментальным исследованиям определены оптимальные установочные углы опережения впрыскивания топлива при работе тракторного дизеля на этаноле и рапсовом масле составляющие: для этанола Θ_Э =34°, для рапсового масла Θ_РМ =34°. При этом при работе на номинальном режиме минимальный суммарный удельный эффективный расход топлива составляет g_еΣ =368 г/(кВт∙ч).

Экспериментально определено, что при работе на номинальном режиме на дизельном топливе, этаноле и РМ значения максимального давления газов p_zmax в цилиндре дизеля практически одинаковы, при этом процесс сгорания при работе дизеля на этаноле и РМ несколько сдвигается вправо за линию ВМТ и максимальное давление цикла p_zmax достигается при значении угла φ =11,5° п.к.в. после ВМТ, в то время как при работе на ДТ давление p_zmax достигается при φ =6,5° п.к.в. после ВМТ, что свидетельствует о том, что процесс сгорания на альтернативных топливах происходит, в большей части, в увеличивающемся объеме цилиндра. При этом происходит смещение максимума эффективного КПД в сторону высоких нагрузочных режимов работы.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Вклад авторов. В.А. Лиханов ― научное руководство, анализ и доработка текста, утверждение финальной версии; О.П. Лопатин ― формирование структуры статьи, анализ литературных данных, редактирование текста, создание изображений, составление выводов и заключения. Авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

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. V.A. Likhanov ― scientific guidance, analysis and revision of the text, approval of the final version; O.P. Lopatin ― formation of the structure of the article, analysis of literary data, text editing, image creation, drawing conclusions and conclusions. Authors confirm the compliance of their authorship with the ICMJE international criteria. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

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

About the authors

Vitaly A. Likhanov

Vyatka State Agrotechnological University

Email: lihanov.va@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3033-7176
SPIN-code: 9474-7629
Scopus Author ID: 57197821797

Professor, Dr. Sci. (Tech.), Head of the Heat Engines, Automobiles and Tractors Department

Russian Federation, 133 Oktyabrsky avenue, 610017 Kirov

Oleg P. Lopatin

Vyatka State Agrotechnological University

Author for correspondence.
Email: nirs_vsaa@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-0806-6878
SPIN-code: 8716-0189
Scopus Author ID: 57197821205
ResearcherId: ААД-8374-2019

Dr. Sci. (Tech.), Professor of the Heat Engines, Automobiles and Tractors Department

Russian Federation, 133 Oktyabrsky avenue, 610017 Kirov

References

Supplementary files