Investigation of the combustion process in a tractor diesel 11 powered by an ethanol-fuel emulsion

Full Text

Введение На современном этапе развития науки и техники дизель для большинства тракторов и сельхозмашин остается практически основным типом привода. При этом, доля альтернативных топлив в общем балансе потребления моторных нефтяных топлив незначительна. Однако в связи с обостряющимся энергетическим кризисом, нарастающим дефицитом нефтяных энергоносителей и необходимостью решения острых экологических проблем уже в ближайшей перспективе следует ожидать расширения использования альтернативных моторных топлив [1]. В дизелях силовых установок все шире используют смеси базового топлива с различными спиртами. Так, в Вятской государственной сельскохозяйственной академии проведены исследования по переводу дизеля 4Ч 11,0/12,5 для работы на этаноло-то-пливной эмульсии (ЭТЭ) [2, 3]. Чтобы получить наибольший эффект от эмульсий как от альтернативного моторного топлива, необходимо исследовать физико-химические свойства спиртовой эмульсии, их влияние на рабочие процессы дизеля. ЭТЭ -это дисперсная система, образованная двумя взаимно нерастворимыми жидкостями, которыми являются, с одной стороны, этиловый спирт и вода, с другой стороны, дизельное топливо и присадки. Эмульсия является нестабильной системой, которая постоянно стремиться перейти в исходное (разделенное по фазам) состояние, которое, в свою очередь, определяется уже стабильностью. Стабильность, т.е. время от момента приготовления эмульсии до появления слоев с различной концентрацией (седиментацией - расслоением дисперсных систем под действием силы тяжести с отделением дисперсной фазы в виде осадка, «сливок» и т.д.), зависит, в первую очередь, от физических свойств составляющих компонентов эмульсии [4]. Для улучшения физических и, конечно, эксплуатационных свойств ЭТЭ необходимо применение присадок сравнительно недорогих, которые должны отвечать следующим требованиям: полностью сгорать в двигателе без образования отложений, не ухудшать свойств топлива, повышать стабильность эмульсии, хорошо растворяться в топливе и его компонентах, быть устойчивыми, не слишком летучими и сохраняться в топливе в различных условиях эксплуатации. К отвечающим этим требованиям присадкам можно отнести сукцинимид С-5А. Сукцинимид С-5А относится к классу моющее-диспергирующих присадок (штатная присадка к моторным маслам). Эта присадка является концентратом высокомолекулярного алкенилами-да янтарной кислоты в масле [5]. Данный класс присадок был выбран для использования в ЭТЭ исходя из хороших диспергирующих свойств, общедоступности, низкой стоимости, высокой стабильности получаемых эмульсий. Цель исследования Анализ физико-химических и эксплуатационных свойств, теоретических исследований эмульсий различного состава подтвердил возможность использования данного вида топлива в тракторных дизелях. Кроме того, эмульсии являются наиболее простым, дешевым и доступным способом применения спиртов в качестве моторного топлива, позволяя экономить дизельное топливо, не требуя значительных затрат на внесение конструктивных изменений и дополнений в дизель, обеспечивая возможность реализации в эксплуатируемых двигателях. Все это дает основание предполагать, что исследование рабочего процесса дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на ЭТЭ, а именно изучение влияния данного топлива на индикаторные показатели, характеристики процесса сгорания и тепловыделения, является актуальной научной задачей, имеющей важное народнохозяйственное значение. Материалы и методы Для приготовления ЭТЭ в лабораторных условиях использовался гомогенизатор MPW-302 (рис. 1). При приготовлении эмульсий необходимым условием было сохранение режимов приготовления и атмосферных условий. Учитывая то обстоятельство, что избежать присутствия воды в этаноле в процессе реальной эксплуатации будет достаточно сложно вследствие его высокой гигроскопичности, в испытаниях применялся этанол с добавкой воды до 7 %. Для приготовления эмульсии каждый из компонентов предварительно взвешивался на электронных весах. Соотношение ингредиентов эмульсии выражалось в процентах от массы всей пробы, которая оставалась равной 100 г во всех случаях за счет изменения количества дизельного топлива. Соотношение компонентов менялись следующим образом: этанол - 10, 20, 30, 40 и 50 %, присадка - 0,5, 1,0, 1,5 и 2,0 %, вода - 7 %, остальное - дизельное топливо. Эмульсия каждого состава приготавливалась не менее чем 3 раза, с целью уменьшения погрешностей измерений результат усреднялся. При этом, требуемое количество присадки предварительно растворялось в дизельном топливе, после чего добавлялся раствор воды и этанола. На рис. 2 изображен график динамики распада ЭТЭ с содержанием этанола 25 % в зависимости от концентрации присадки Сук-цинимид С-5А. Как видно из представленных графиков, увеличение концентрации присадки способствует значительному снижению скорости распада, что при движении машины позволяет дополнительно сохранять однородность эмульсии продолжительное время. На данной трехмерной модели по оси ординат представлено отношение величины отстоя, или «сливок», к общей высоте пробы, выраженной в процентном отношении [6]. Время распада 10 % ЭТЭ при концентрации присадки Кп = 0,5 составляет 0,7 часа, при Кп = 2,0 время распада составляет 3,8 часа. Расслоение 30 % эмульсии происходит за 2,2 часа при Кп = 0,5 и за 12,8 часа при Кп = 2,0. Таким образом, при увеличении содержания присадки происходит значительное увеличение времени распада ЭТЭ. Для проведения испытаний на двигателе в качестве оптимальной для дизеля 44 11,0/12,5 была выбрана эмульсия следующего состава: 25 % - этиловый спирт, 0,5 % - сукцинимид С-5А, 7 % - вода и 67,5 % - дизельное топливо. Количественное содержание присадки выбиралось из условий экономической целесообразности [6]. Все последующие испытания дизеля проводились на данном составе эмульсии. В качестве загрузочного устройства при испытаниях дизеля применялся электротормозной стенд SAK-N670 с балансирной маятниковой машиной. Установка была оборудована необходимым измерительным комплексом. Для индицирования процесса сгорания в цилиндре дизеля применяли электропневматический индикатор МАИ-5А. Необходимо отметить, что индицирование поршневых тракторных дизелей остается одним из самых информативных методов экспериментального исследования внутрицилиндровых тепловых процессов [7], поскольку сами индикаторные диаграммы дают ценную информацию об особенностях организации рабочего процесса двигателя, а обработанные с целью получения функции тепловыделения они становятся источником уникальных данных об инициализации и протекании процесса сгорания топлива в цилиндре двигателя. Кроме того, получаемые в результате обработки диаграмм закономерности выгорания топлива имеют особое значение при исследовании сгорания нетрадиционных или альтернативных топлив, для которых пока нет достаточного объема накопленных теоретических знаний и практического опыта их применения в дизелях. Обработка индикаторных диаграмм рабочего процесса дизеля при работе на дизельном топливе и ЭТЭ осуществлялась по программе ЦНИДИ-ЦНИИМ (Центральный научно-исследовательский дизельный институт). гш о т гш о т Результаты и их обсуждение На рис. 3 представлены совмещенные индикаторные диаграммы дизеля 44 11,0/12,5 на оптимальных установочных углах опережения впрыскивания топлива (УОВТ, ©впр) при номинальной частоте вращения n = 2200 мин1. Так, при работе на дизельном топливе значение максимального давления сгорания ръ max составляет 8,1 МПа, а при работе дизеля на ЭТЭ это значение возрастает до 8,9 МПа, т.е. на 9,9 %. Точка начала видимого сгорания при работе на дизельном топливе при значении угла фс ДТ = 1° поворота коленчатого вала (п.к.в.), располагается до верхней мертвой точки (ВМТ) на индикаторной диаграмме, а при работе на ЭТЭ при ф с ЭТЭ = 5,0° п.к.в. после ВМТ. Таким образом, с учетом установочного УОВТ период задержки воспламенения при работе на дизельном топливе составляет ф. = 22,5°, а при работе на ЭТЭ - ф. = 28,0°. Следует отметить, что процесс сгорания при работе дизеля на ЭТЭ несколько сдвигается вправо от ВМТ. На рис. 4 представлены характеристики тепловыделения и осредненная температура газов в цилиндре дизеля 44 11,0/12,5 на номинальном режиме работы. Применение ЭТЭ приводит к увеличению скорости активного тепловыделения йу](1ф и сдвигает максимум скорости вправо от ВМТ. Максимальное значение скорости активного тепловыделения при работе дизеля на ЭТЭ составляет 0,160 при угле п.к.в. ф = 6,5° после ВМТ, что на 68,4 % выше дизельного процесса. Также необходимо отметить, что наличие второго максимума на кривых скорости активного выделения тепла йу](1ф, как при работе на дизельном топливе, так и при работе на ЭТЭ, объясняется дополнительной турбулизацией рабочего заряда в цилиндре дизеля в момент перемещения поршня от ВМТ к нижней мертвой точке (НМТ). Между поршнем и головкой цилиндров двигателя образуется зазор, в который засасывается рабочий заряд из камеры сгорания, находящейся в поршне. На рис. 5 представлены показатели процесса сгорания дизеля 44 11,0/12,5 в зависимости от изменения установочного УОВТ. Сравнивая графики работы дизеля 44 11,0/12,5 на ЭТЭ и дизельном топливе, можно отметить, что значения показателей процесса сгорания при работе на ЭТЭ, также как и на метаноло-топливной эмульсии (МТЭ), увеличиваются. Так, при установочном УОВТ ©впр = 20° при переходе с дизельного процесса на ЭТЭ наблюдаются повышение максимальной осредненной температуры 7max на 19,7 %, максимального давления сгорания pz на 9,3 %, жесткости процесса сгорания (dp/dp)max на 55,2 %, степени повышения давления X на 23,3 %, Рис. 5. Показатели процесса сгорания дизеля 44 11,0/12,5 в зависимости от изменения УОВТ при n = 2200 мин-1: --------------- дизельный процесс; ЭТЭ угла ср соответствующего периоду задержки воспламенния, на 31,8 %. При установочном УОВТ ©впр = 23° при переходе с дизельного процесса на ЭТЭ наблюдаются повышение максимальной осредненной температуры Tmax на 14,6 %, максимального давления сгорания pz на 9,9 %, жесткости процесса сгорания (dp/dp)max на 71,2 %, степени повышения давления X на 19,5 %, угла р соответствующего периоду задержки воспламения, на 24,4 %. При установочном УОВТ ©впр = 26° при переходе с дизельного процесса на ЭТЭ наблюдаются повышение максимальной осредненной температуры Tmax на 13,2 %, максимального давления сгорания pz на 11,5 %, жесткости процесса сгорания (up/dp)max на 65,1 %, степени повышения давления X на 14,1 %, угла р соответствующего периоду задержки восплпменения, на 21,7 %. При установочном УОВТ ©впр = 29° при переходе с дизельного процесса на ЭТЭ наблюдаются повышение максимальной осредненной температуры T на 11,5 %, максимального давления сгорания pz на 9,9 %, жесткости процесса сгорания (dp/dp) на 54,9 %, степени повышения давления X на max 10,1 %, угла р соответствующего периоду задержки воспламенения, на 16,7 %. На рис. 6 представлены характеристики тепловыделения дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения УОВТ. и ниже на 44,4 % при ©впр = 29°. При работе на ЭТЭ с увеличением УОВТ происходит снижение максимальных значений скорости активного выделения тепла djJdp. Так, применение в дизеле ЭТЭ приводит к увеличению макимальных значений djJdp от 0,14 при ©впр = 29° до 0,17 при ©впр = 20°, что, в свою очередь, выше дизельного процесса в этом же диапазоне от 33,3 до 88,9 %. На рис. 7 представлены показатели процесса сгорания дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала. I- ш о т При работе дизеля на ЭТЭ pT снижается с 20,0° при ©впр = 20° до 5,0° при ©впр = 29°, что выше дизельного процесса на 81,8 % при © = 20° дизельный процесс; ■ ЭТЭ При сравнении значений показателей процесса сгорания в цилиндре дизеля 44 11,0/12,5 в зависимости от изменения частоты вращения при ©впр = 23° при работе на дизельном топливе и ЭТЭ можно отметить, что все значения показателей процесса сгорания при переходе с дизельного процесса для работы на ЭТЭ повышаются во всем скоростном диапазоне. Так, на малой частоте вращения n = 1200 мин1 происходит повышение максимальной осредненной температуры на 12,1 %, максимального давления сгорания pz max на 6,8 %, степени повышения давления X на 16,7 % «жесткости» процесса сгорания (dp/dp)max на 70,8 %, значений угла ф. на 5,5° п.к.в. При максимальной частоте вращения n = 2400 мин-1 происходит повышение максимальной осредненной температуры на 13,5 %, максимального давления сгорания pz max на 8,8 %, степени повышения давления X на 16,8 %, «жесткости» процесса сгорания (dp/dp)max на 59,3 % и значений угла ф. на 7,0° п.к.в. На рис. 8 представлены характеристики тепловыделения дизеля 44 11,0/12,5 при ©впр = 23° в зависимости от изменения частоты вращения. При работе дизеля на ЭТЭ pz снижается с 0,71 при n = 1400 мин1 до 0,67 при n = 2400 мин1, что выше дизельного процесса в этом же диапазоне от 6,0 до 24,1 %. Значения х,- Tmax при работе дизеля на ЭТЭ возрастают от 0,74 (значение на 2,8 % выше дизельного процесса) при n = 1400 мин1 до 0,78 при n = 1700 мин1 и далее происходит снижение и при n = 2400, мин1 х Tmax = 0,75 (значение на 23,0 % выше дизельного процесса). С увеличением частоты вращения при работе на дизельном топливе снижаются значения скорости активного тепловыделения (d^Vd))), а применение ЭТЭ вызывает их увеличение. При работе дизеля на ЭТЭ фт max увеличивается с 3,0° при n = 1400 мин1 до 13,0° при n = 2400 мин1, что ниже дизельного процесса в 2,2 раза при n = 1400 мин1 и соответствует ДП при n = 2400 мин1. С увеличением частоты вращения при работе на ЭТЭ происходит также рост значений скорости активного выделения тепла (d(./dp)max. Так, применение в дизеле ЭТЭ приводит к увеличению значений (dyJdp)mx от 0,150 при n = 1400 мин1 до 0,165 при n = 2400 мин1, что, в свою очередь, выше дизельного процесса в этом же диапазоне от 30,4 до 94,1 %. На рис. 9 представлены показатели процесса сгорания дизеля 44 11,0/12,5 на различных нагрузочных режимах работы. При анализе нагрузочных характеристик, соответствующих работе дизеля на ЭТЭ на номинальной частоте вращения и при оптимальном УОВТ, значения основных характеристик изменяются по схожим закономерностям дизельного процесса. Из графиков видно, что устойчивое горение без пропусков воспламенения горючей смеси при работе дизеля на ЭТЭ начинается при нагрузке, соответствующей ре = 0,38 МПа. При работе на дизельном топливе при среднем эффективном давлении 0,38 МПа максимальная осредненная температура цикла со- I- ш о т Ттах-К л i. Pz 3000 0,7 2500 0,6 2000 0,5 1500 Фттах. Град 1000 16 /. 8 2.0 0 1,5 1.0 1400 1600 1800 2000 2200 П, мин1 Рис. 8. Характеристики тепловыделения дизеля 44 11,0/12,5 в зависимости от изменения частоты вращения при ©впр = 23°: --------------- дизельный процесс; ЭТЭ ставляет 1750 К, а применение ЭТЭ вызывает увеличение Tmax до 2233 К. С возрастанием нагрузки до 0,69 МПа 7max возрастает с 2380 до 2530 К при переходе с дизельного топлива на ЭТЭ. При переходе с дизельного процесса для работы на ЭТЭ при ре = 0,38 МПа происходит снижение максимального давления сгорания с 7,1 до 6,30 МПа, а при увеличении нагрузки до 0,69 МПа при переходе с дизельного топлива на работу на ЭТЭ происходит увеличение р с 8,9 до 9,1 МПа, что составляет 2,3 %. ' z max ' ' ' ' При нагрузке ре = 0,38 МПа применение ЭТЭ вызывает рост X с 1,68 до 1,91, или на 13,7 %. Сравнивая работу дизельного процесса и ЭТЭ необходимо отметить, что происходит рост скорости нарастания давления газов на всех нагрузочных режимах. Так, при ре = 0,69 МПа применение ЭТЭ вызывает рост (ф/Лф)^ от 0,60 МПа/град при работе на дизельном топливе до 1,06 МПа/град при ЭТЭ, или на 76,7 %. Также просматривается и увеличение ф.. На рис. 10 представлены характеристики тепловыделения дизеля 44 11,0/12,5 на различных нагрузочных режимах работы. Применение ЭТЭ также вызывает рост угла, соответствующего максимальной температуре цикла фг max, но на малых нагрузках этот рост является более значительным. Так, при работе на ЭТЭ при максимальном значении р = 0,70 МПа - фг 11,0° п.к.в. после ВМТ, а е г max при снижении нагрузки до ре = 0,38 МПа фг max повышается до 18,0° п.к.в. после ВМТ, что, в свою очередь, выше дизельного процесса в диапазоне от 4,8 до 80,0 %, соответственно, в этом же диапазоне изменения нагрузки. При ре = 0,38 МПа при работе на ЭТЭ (Лу/Лф) составляет 0,208, что на 85,7 % выше дизельного процесса. При максимальной нагрузке при работе на ЭТЭ (Лу/Лф)^ составляет 0,152, что на 65,2 % выше дизельного процесса. С увеличением нагрузки при работе на дизельном топливе и ЭТЭ снижаются значения активного выделения теплоты, соответствующие максимальному давлению сгорания у. и активного выделения теплоты, соответствующие максимальной температуре цикла у Tmax. При работе дизеля на ЭТЭ у Pz снижается от 0,89 при ре = 0,38 МПа до 0,63 при ре = 0,70 МПа, что выше дизельного процесса в этом же диапазоне на 25,4 и 18,9 % соответственно. Значения у. „ на ЭТЭ снижаются от 0,90 при ре = 0,38 МПа до 0,74 при ре = 0,70 МПа, что выше дизельного процесса в этом же диапазоне на 18,4 и 17,5 % соответственно. Выводы 1. Экспериментальными исследованиями рабочего процесса тракторного дизеля 44 11,0/12,5 при работе на ЭТЭ определены значения показателей процесса сгорания и характеристик тепловыделения на номинальном режиме работы дизеля (табл. 1 и 2). 2. Для осуществления рабочего процесса дизеля 44 11,0/12,5 при использовании в качестве основного топлива ЭТЭ необходимо соблюдать следующие рекомендации: Таблица 1 гш о т I- ш о т - с целью предотвращения разложения ЭТЭ принятого состава не хранить эмульсию в топливных баках более 18 часов; - максимальная величина концентрации этанола в составе ЭТЭ не должна превышать 25 % от общего количества топлива с целью обеспечения достаточных условий для организации стабильного процесса горения с отсутствием пропусков воспламенения; - при работе на ЭТЭ для достижения наименьшего удельного расхода топлива, минимальных выбросов токсичных компонентов с отработавшими газами и снижения «жесткости» процесса сгорания необходимо снижать установочный УОВТ до ©впр = 23°.

About the authors

V. A Likhanov

Vyatka State Agricultural Academy

Email: nirs_vsaa@mail.ru
DSc in Engineering

O. P Lopatin

Vyatka State Agricultural Academy

Email: nirs_vsaa@mail.ru
PhD in Engineering

A. I Chuprakov

Vyatka State Agricultural Academy

Email: nirs_vsaa@mail.ru
PhD in Engineering

References

Supplementary files