Improvement of effective indicators of tractor diesel engine by the use of compressed natural gas and exhaust gas recirculation, methanol and ethanol fuel emulsions

Full Text

На фоне неизбежного роста цен на нефтепродукты и ухудшающейся экологической ситуации, связанной прежде всего с увеличением количества энергоустановок, работающих на жидком нефтяном топливе, происходит усиленное внедрение альтернативных источников энергии. В работе представлены результаты экспериментальных исследований по улучшению эффективных показателей тракторного дизеля 4Ч 11,0/12,5 путем применения КПГ (20% - запальная порция дизельного топлива (ДТ), 80% - КПГ) и рециркуляции отработавших газов (РОГ), метаноло-топливной эмульсии (МТЭ) и этаноло-топливной эмульсии (ЭТЭ). Исследования проводились с целью определения и оптимизации основных параметров работы дизеля на ДТ, КПГ с РОГ, МТЭ и ЭТЭ [1, 2]. В результате проведенных исследований физико-химических свойств и стабильности ЭТЭ и МТЭ, а также первичных испытаний на двигателе в качестве оптимальных для дизеля 4Ч 11,0/12,5 были приняты эмульсии следующего состава: - МТЭ: метанол - 25%, моюще-диспергирующая присадка сукцинимид С-5А - 0,5%, вода - 7%, ДТ - 67,5%; - ЭТЭ: этанол - 25%, моюще-диспергирующая присадка сукцинимид С-5А - 0,5%, вода - 7%, ДТ - 67,5%. Регулировочные характеристики дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения установочного угла опережения впрыскивания топлива (УОВТ) при частоте вращения коленчатого вала n = 2200 мин-1 (номинальный скоростной режим) для мощностных и экономических показателей представлены на рис. 1 [3, 4]. Анализ графиков, соответствующих работе по газодизельному и газодизельному с РОГ процессам при n = 2200 мин-1, показывает, что при этом установочный УОВТ по условию наилучшей экономичности составляет Θвпр = 23º поворота коленчатого вала до верхней мертвой точки (ПКВ до ВМТ). Часовой расход топлива при газодизельном процессе и Θвпр = 23º составляет 11,4 кг/ч, а при газодизельном процессе с 10%-ной РОГ - 11,7 кг/ч, т.е. выше на 2,8%. Удельный эффективный расход топлива при газодизельном процессе и Θвпр = 23º составляет 205 г/(кВт·ч), а при газодизельном процессе с 10%-ной РОГ - 211 г/(кВт·ч), т.е. выше на 2,8%. При увеличении УОВТ (Θвпр = 26º) при газодизельном процессе с РОГ происходит возрастание удельного эффективного расхода топлива, мощность двигателя остается на том же уровне. При снижении УОВТ (Θвпр = 20º) происходит увеличение удельного расхода топлива, а также падение значения эффективной мощности двигателя. Анализируя графики работы дизеля 4Ч 11,0/12,5 на МТЭ и ЭТЭ при n = 2200 мин-1 и постоянных значениях часовых расходов МТЭ GМТЭ = 17,5 кг/ч и ЭТЭ GЭТЭ = 16,3 кг/ч, можно констатировать, что при Θвпр = 23º достигаются минимальные значения удельного эффективного расхода МТЭ ge МТЭ = 316 г/(кВт·ч) и ЭТЭ ge ЭТЭ = 297 г/(кВт·ч), а также удельного эффективного расхода ДТ в составе МТЭ ge ДТ прив = 213 г/(кВт·ч) и ЭТЭ ge ДТ прив = 200 г/(кВт·ч). Отметим, что меньшая по сравнению с ДТ теплота сгорания эмульсий ведет к повышению значений часовых и удельных расходов топлива. Значения мощностных и экономических показателей дизеля 4Ч 11,0/12,5 при применении КПГ и РОГ, МТЭ и ЭТЭ при работе на номинальном режиме (pе = 0,64 МПа, n = 2200 мин-1) с установочным УОВТ Θвпр = 23º приведены в таблице [5, 6]. Мощностные и экономические показатели работы тракторного дизеля 4Ч 11,0/12,5 с установочным УОВТ Θвпр = 23º на номинальном режиме (pе = 0,64 МПа, n=2200 мин-1) Дизель 4Ч 11,0/12,5 Ne, кВт ge, г/(кВт·ч) ge ДТ прив, г/(кВт·ч) GТ, кг/ч GДТ прив, кг/ч Дизельный процесс 55,3 243 - 13,4 - Применение КПГ 207 (снижение на 14,8%) - 11,4 (снижение на 14,9%) - Применение КПГ и 10%-ной РОГ 212 (снижение на 12,8%) - 11,7 (снижение на 12,7%) - Применение МТЭ 316 (увеличение на 23,1%) 213 (снижение на 12,3%) 17,5 (увеличение на 23,4%) 11,8 (снижение на 11,9%) Применение ЭТЭ 297 (увеличение на 18,2%) 200 (снижение на 17,7%) 16,3 (увеличение на 17,8%) 11 (снижение на 17,9%) Таким образом, исходя из минимального удельного расхода топлива ge, для всех режимов при работе дизеля на ДТ оптимален установочный УОВТ Θвпр = 26º, а при работе на КПГ, КПГ с РОГ, МТЭ и ЭТЭ оптимален угол Θвпр = 23º. Уменьшение значения установочного УОВТ по сравнению с оптимальным при работе на режиме максимальной нагрузки приводит к увеличению жесткости процесса сгорания, сопровождаемому стуками в цилиндро-поршневой группе. Увеличение же значения установочного УОВТ по сравнению с оптимальным может привести к недопустимому повышению температуры охлаждающей жидкости в двигателе и, как следствие, к его перегреву. Для сравнения с дизельным процессом исследования проводились на каждом скоростном режиме для двух УОВТ: Θвпр = 23º и Θвпр = 26º ПКВ до ВМТ. Зависимости мощностных и экономических показателей работы дизеля 4Ч 11,0/12,5 при номинальной частоте вращения n = 2200 мин-1 и установочном УОВТ Θвпр = 23º от изменения нагрузки представлены на рис. 2 [7, пат. на изобр. РФ № 2260706]. Анализируя кривые, соответствующие газодизельному процессу, можно отметить, что их характер протекания аналогичен дизельному процессу, при этом отличаются лишь абсолютные значения. Так, применение КПГ на дизеле при сохранении значений эффективной мощности приводит к снижению часового расхода воздуха, часового расхода топлива и коэффициента избытка воздуха; снижению на малых нагрузках эффективного КПД и увеличению на больших; увеличению на малых нагрузках удельного эффективного расхода топлива и температуры ОГ, снижению их на средних и максимальных нагрузках. Применение РОГ при газодизельном процессе приводит к росту удельного эффективного расхода топлива. Причем при малом эффективном давлении в диапазоне изменения нагрузки от 0,13 до 0,26 МПа удельный эффективный расхода топлива, например при работе с 20%-ной РОГ, возрастает на 2,3-3,2%, тогда как при номинальной нагрузке gе на 5,1% выше газодизельного процесса, но на 10,3% ниже дизельного процесса. Применение 40%-ной РОГ в диапазоне изменения нагрузки от 0,13 до 0,26 МПа приводит к росту gе от 3,5 до 6,5%. Снижение же степени рециркуляции до 10% на номинальном режиме приводит к росту gе всего на 2,4% относительно газодизельного процесса, что на 12,8% ниже дизельного процесса. Эффективный КПД при работе на газе с 40%-ной РОГ в диапазоне изменения нагрузки от 0,13 до 0,26 МПа снижается от 3 до 3,7% относительно чисто газодизельного процесса. Температура ОГ при работе с РОГ снижается незначительно на больших нагрузках с увеличением степени РОГ. Расход воздуха снижается пропорционально количеству присаженных во впускной коллектор ОГ. Температура рециркулируемых ОГ увеличивается с увеличением степени рециркуляции и во всем диапазоне изменения нагрузок при степени рециркуляции ρ = 40% не превышает 68оС. Рост удельного эффективного расхода топлива и снижение эффективного КПД при работе по газодизельному процессу с РОГ относительно чисто газодизельного процесса связаны с ухудшением процесса сгорания в результате ограниченности необходимого количества воздуха для окисления топлива. Рассматривая эффективные показатели дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на МТЭ и ЭТЭ, можно отметить, что мощностные показатели дизеля при переходе на МТЭ и ЭТЭ полностью сохраняются и соответствуют значениям дизельного процесса. Применение МТЭ и ЭТЭ приводит к увеличению удельного эффективного расхода топлива ge во всем диапазоне изменения нагрузок вследствие меньшей теплотворной способности метилового и этилового спиртов по отношению к ДТ. Часовой расход воздуха Gв и коэффициент избытка воздуха α при работе на эмульсиях снижаются в связи с присутствием кислорода в дисперсной фазе эмульсии. Зависимости мощностных и экономических показателей работы дизеля 4Ч 11,0/12,5 при установочном УОВТ Θвпр = 23º (оптимальном для КПГ, КПГ с РОГ, МТЭ и ЭТЭ) от изменения частоты вращения коленчатого вала без регуляторной ветви представлены на рис. 3 [8]. Анализируя кривые, соответствующие работе двигателя на КПГ, можно отметить, что увеличение частоты вращения коленчатого вала приводит к росту часового расхода топлива Gт, запальной порции ДТ GДТ, эффективной мощности Ne, часового расхода воздуха Gв и температуры ОГ tr. Значение удельного эффективного расхода топлива gе минимально при n = 1700 мин-1 и составляет 198 г/(кВт·ч). Значение эффективного КПД ηе максимально при n = 1700 мин-1 и составляет 0,37. Значение крутящего момента Мк также максимально при n = 1700 мин-1 и составляет 259 Н·м. Значение коэффициента избытка воздуха α с увеличением частоты вращения незначительно снижается. Анализ графиков работы дизеля на КПГ с РОГ показывает, что при работе с 10%-ной РОГ эффективная мощность и крутящий момент остаются практически на уровне чисто газодизельного процесса. При увеличении степени рециркуляци до 20% происходит снижение эффективной мощности и крутящего момента. Так, применение 20%-ной РОГ при n = 1400 мин-1 приводит к падению эффективной мощности на 2,5% относительно чисто газодизельного процесса. Рассматривая эффективные показатели дизеля при работе на МТЭ и ЭТЭ, можно отметить, что в диапазоне изменения частот вращения от 1400 до 2400 мин-1 применение эмульсий приводит к увеличению Gт соответственно на 30,2 и 19,5% для МТЭ, на 22,8 и 14% для ЭТЭ; gе - на 20,2 и 22,7% для МТЭ, на 16,9 и 18,2% для ЭТЭ. Снижение часового расхода воздуха обусловлено присутствием в молекулах эмульсий дополнительного атома кислорода. Значения крутящего момента и эффективной мощности при n = 2400 мин-1 соответствуют дизельному процессу, а при n = 1400 мин-1 незначительно возрастают. На основании проведенных экспериментальных стендовых исследований работы дизеля 4Ч 11,0/12,5 на КПГ с РОГ, МТЭ и ЭТЭ определены значения оптимальных установочных УОВТ: для ДТ - Θвпр = 26º ПКВ до ВМТ; для КПГ с РОГ, МТЭ и ЭТЭ - Θвпр = 23º ПКВ до ВМТ. Установлена возможность сохранения мощностных показателей на уровне серийного дизеля и экономии ДТ путем его замены другими компонентами до 32,5% при работе на МТЭ и ЭТЭ и до 80% при работе на КПГ с РОГ. При этом происходит снижение суммарной токсичности ОГ дизеля более чем на 50% как при работе на КПГ с РОГ, так и при работе на МТЭ и ЭТЭ.

About the authors

V. A Likhanov

Vyatka State Agricultural Academy

O. P Lopatin

Vyatka State Agricultural Academy

Email: nirs_vsaa@mail.ru

References

Supplementary files