Experimental research of performance of diesel engine operating on mixed fuel

Full Text

С каждым годом потребление ДТ возрастает. Кроме того, происходит ужесточение требований к качеству топлив. В связи с этим появляется необходимость разработки новых технологий для производства ДТ из возобновляемого сырья. В 2012 г. утверждена «Комплексная программа развития биотехнологий в Российской Федерации на период до 2020 года», где запланировано достичь использования 10% моторного биотоплива к 2020 г. [1]. Использование биотоплива стало официально возможным после разработки ГОСТ Р 52368-2005 [2], в котором говорится о применении ДТ с присутствием в нем метиловых эфиров жирных кислот (до 5%). Таким образом, улучшить экологические свойства ДТ можно с помощью добавки на основе биодизельного топлива (сложного метилового эфира растительного масла). Выделяют три поколения биотоплив в зависимости от используемого сырья [3-5]: 1) пищевых масло- и сахаросодержащих наземных растений; 2) непищевых целлюлозосодержащих растений; 3) непищевых водных растений (микроводорослей). Последние обладают значительными преимуществами, так как не требуют использования посевных площадей и имеют высокую продуктивность. Проведены испытания ДТ и смесевого топлива на тракторе ЮМЗ-Л6 с двигателем Д-65Н по параметрам рабочего цикла, мощностным, экономическим и экологическим показателям. Использовалось нефтяное ДТ и 5-20% биодобавки на основе метиловых эфиров растительного масла. В биотопливной композиции №1 биодобавка составляла 5%, №2 - 10%, №3 - 20%. Измеряли тягово-скоростные и топливно-экономические показатели при нагрузке в полевых условиях, а также дымность и токсичность ОГ. Полевые испытания проводились в сухую ясную погоду на горизонтальном непаханом поле. Вспашка производилась плугом ПН-3-35, предварительно прошедшим наладку на глубину 0,22 м, припашку и контрольную проверку регулировки навесного оборудования для вспашки на заданную глубину. В бак заливали определенное количество топлива, после окончания эксперимента остатки сливали, по разнице определяли расход топлива в текущем эксперименте. Перед заливкой образца топлива в бак проводили замену фильтров грубой и тонкой очистки. Измерение и регистрацию параметров осуществляли после прокачки всей топливной системы. Двигатель проработал под нагрузкой и в транспортном режиме одинаковое количество времени для каждого вида топлива, общее время работы составило 15 мин. Время вспашки составило 1 мин. Результаты измерений заносились в протокол испытаний в трехкратной повторности для данного вида топлива (рис. 1). Расход топлива Gт, кг/ч, определялся по формуле: , (1) где ΔGт - навеска топлива, кг; Δτ - время, за которое расходуется навеска топлива, ч. Удельный часовой расход топлива q, кг/(кВт·ч): , (2) где Nкр - мощность двигателя на крюке, кВт. , (3) где vср - средняя скорость движения, км/ч; Pкр - усилие на крюке, кН. Средняя скорость трактора vср, км/ч: , (4) где S - путь, пройденный трактором, км; t - время опыта, ч. Усилие на крюке Pкр, кН: Pкр = B kгр h , (5) где B - ширина захвата плуга, м; kгр - удельное сопротивление грунта, кН/м2; h - глубина вспашки, м. Условный тяговый КПД: , (6) где N0 - максимальная мощность двигателя, кВт. Для измерения дымности ОГ (рис. 2) использовали прибор «Инфракар Д». Измерение объемной доли монооксида углерода и углеводородов в ОГ проводили с помощью прибора «Инфракар М». Газозаборный зонд с пробоотборным шлангом устанавливали в выхлопную трубу трактора. Измерение производили в режиме свободного ускорения. Педаль подачи топлива перемещали равномерно за 0,5-1 с до упора и держали в этом положении 2-3 с, затем отпускали и через 8-9 с приступали к новому измерению. На дисплее пульта управления отображалась бегущая линия для выдержки времени цикла измерения. Циклы свободного ускорения повторялись 6 раз, результат измерения выводился на дисплее и распечатывался. При испытании трактора на ДТ и разных видах смесевого топлива существенной разницы в тягово-скоростных и топливно-экономических показателях не наблюдалось (табл. 1). За одинаковое время при одинаковой нагрузке трактор вспахал одинаковое расстояние, при этом мощностные характеристики не изменились (рис. 3). Основной нормируемый показатель дымности ОГ - коэффициент k поглощения света, вспомогательный - коэффициент N ослабления света. Результаты измерения дымности и фракционного состава ОГ представлены в табл. 2 и на рис. 4. Таблица 1 Тягово-скоростные и топливно-экономические показатели работы двигателя Д-65Н на разных видах топлива Показатель ДТ Композиция №1 Композиция №2 Композиция №3 Gт, л/ч 5,4 5,4 5,92 5,4 Pкр, кН 9,19 9,19 9,19 9,19 vср , км/ч 7,2 7,15 7,05 7,09 Nкр, кВт 66,2 65,7 64,7 65,2 q, л/(кВт·ч) 0,082 0,082 0,091 0,083 ɳ 0,86 0,85 0,84 0,85 Таблица 2 Экологические показатели двигателя Д-65Н, работающего на разных видах топлива Показатель ДТ Композиция №1 Композиция №2 Композиция №3 N, % k м-1 56 1,9 53 1,75 47 1,5 54 1,8 СО, % 0,6 0,5 0,45 0,59 СН, % 0,0017 0,0015 0,0012 0,0019 ОГ дизельных двигателей могут включать продукты полного сгорания (водяной пар, диоксид углерода, диоксид серы), продукты неполного сгорания (альдегиды, несгоревшие углеводороды, оксид углерода, сажу и др.), избыточный кислород и оксиды азота. Неполное сгорание топлива в дизелях проявляется главным образом в выделении сажи и оксида углерода. Дымность ОГ всех топливных композиций не превышала норм, допустимых по ГОСТ 17.2.2.02-98. Дымность биотопливных композиций на основе микроводорослей несколько ниже, в среднем на 11%. Самый низкий показатель дымности получен при использовании биотопливной композиции №2. При анализе показателей дымности следует учитывать, что щелочные металлы могут сильно снижать образование сажи при неполном сгорании в диффузионном пламени. Эти металлы способствуют ионизации частиц сажи, уменьшая таким образом их коагуляцию и облегчая их окисление. А при синтезе биотоплива используются такие катализаторы, как гидроксиды щелочных металлов. При использовании топливной композиции №1 концентрация оксида углерода составила 0,5%, №2 - 0,45%, №3 - 0,59%. Наилучший результат достигнут при использовании биотопливной композиции №2. Заключение Результаты проведенных исследований подтверждают возможность использования в дизельных двигателях биотоплив, получаемых из растительных масел. При этом тягово-скоростные и топливно-экономические показатели не изменяются, а экологические показатели улучшаются.

About the authors

S. A Nagornov

All-Russian Research and Technology-and-Design Institute for the Use of Equipment and Oil Products in Agriculture

Yu. V Mescheryakova

All-Russian Research and Technology-and-Design Institute for the Use of Equipment and Oil Products in Agriculture

Email: yulya-belova@yandex.ru

A. G Mescheryakov

All-Russian Research and Technology-and-Design Institute for the Use of Equipment and Oil Products in Agriculture

References

Supplementary files