Research of high-speed operation modes of a tractor diesel on alcohol-fuel emulsions

Full Text

Введение Глобальные проблемы современной цивилизации - энергетические и экологические - непосредственно связаны с развитием поршневых двигателей внутреннего сгорания как основных потребителей топлив нефтяного происхождения и источников загрязнения окружающей среды. Поскольку дизели нашли широчайшее распространение в качестве силового агрегата автотракторной техники, то естественно, они должны характеризоваться не только высокой топливной экономичностью, но и необходимой экологической безопасностью в соответствии с действующими нормами и правилами. Очевидно, что улучшение экологических параметров - одна из главных задач современного дизелестроения. Жесткие законодательные требования, введенные в настоящее время практически во всех развитых странах мира, предусматривают ограничения концентраций в продуктах сгорания тракторных дизелей таких вредных компонентов, как оксиды азота (NOx), твердые частицы, оксида углерода (СО) и углеводородные соединения (СНх). Из них первые два представляют наиболее большую опасность для человека, флоры и фауны. В общем количестве твердых частиц преобладают частицы органического происхождения: углерод (чистая сажа) - примерно 70 % и полициклические ароматические углеводороды - около 25 %. Частицы неорганического происхождения (зола от присадок моторного масла, частицы солей и ржавчины, металлические частицы и керамическое волокно) составляют остальную часть (~5 %). Размеры частиц сажи, образованных в камерах сгорания дизелей, изменяются в пределах 0,01-10,0 мкм; при этом максимум распределения по размерам приходится приблизительно на 0,1 мкм. Кроме того, они являются основными генераторами излучения и играют заметную роль в радиационно-конвективном теплообмене в камере сгорания дизеля [1]. Экологическая безопасность тракторного дизеля во многом зависит от вида используемого в нем энергоносителя, поэтому наряду с традиционными нефтяными энергоносителями все чаще находят применение альтернативные виды топлива. Альтернативные энергоносители условно можно разделить на три категории. К первой категории можно отнести смесевые горючие, содержащие нефтяные топлива с добавками спиртов, растительных масел, эфиров и других топлив ненефтяного происхождения. Вторая категория включает синтетические жидкие топлива, получаемые при переработке твердого, жидкого или газообразного углеводородного сырья (природного газа и газовых конденсатов, угля, горючих сланцев и т.д.). Третью категорию составляют энергоносители ненефтяного происхождения (спирты, растительные масла, эфиры, газообразные топлива и др.). Следует отметить, что альтернативные энергоносители третьей категории обычно имеют физико-химические свойства отличные от свойств штатного нефтяного дизельного топлива, которое является основным видом топлива для тракторных дизелей. Поэтому для их применения необходима адаптация к использованию в дизелях, а также к транспортировке, хранению и заправке на существующих автозаправочных станциях [2]. Необходимо отметить перспективность использования альтернативных смесевых энергоносителей в дизелях, не требующих внесения серьезных конструктивных изменений для их подачи в камеру сгорания топливоподающей аппаратуры. Привлекательность же топлив на основе спирта заключается в том, что их можно получить из любого углеводородного сырья - как минерального (природный газ, уголь, горючие сланцы), так и органического (картофель, свекла, другие сельскохозяйственные культуры, растительные отходы, водоросли и др.). Среди преимуществ спиртовых топлив необходимо также отметить наличие в их молекулах атомов кислорода, что позволяет заметно улучшить показатели токсичности отработавших газов (ОГ) дизеля [3]. Простейший из спиртов - метанол (СН3ОН) легко смешивается с водой в любых соотношениях, смешивается со спиртами, бензолом, ацетоном и другими органическими растворителями. Обладает высоким октановым числом 112 (по исследователькому методу, табл. 1), поэтому его добавляют в автомобильные бензины. Другой характерный представитель спиртов - этанол (С2Н5ОН) смешивается с водой в любых пропорциях. Этанол и метанол являются привлекательными для использования в тракторных дизелях, поскольку они обладают хорошими экологическими качествами и возможностью получения из различных сырьевых ресурсов. Их производство возможно из биомассы, различных отходов, бытового и строительного мусора, бумаги. Основные показатели, характеризующие этанол и метанол как топливо для дизеля, представлены в таблице 1. В Вятской государственной сельскохозяйственной академии проведены исследования тракторного дизеля на спирто-топливных эмульсиях (СТЭ, спирт (метанол или этанол) - 25 %, моюще-диспергирующая присадка сукцинимид С-5А - 0,5 %, вода - 7 %, дизельное топливо - 67,5 %) [4]. Характеристики мощностных и экономических параметров работы дизеля изображены на рис. 1. Сравнивая эффективные показатели дизеля при работе по дизельному процессу (ДП) и на СТЭ, можно отметить, что в диапазоне изменения частот вращения от 1400 до 2400 мин-1 применение СТЭ приводит к увеличению часового Gт и удельного эффективного ge расходов топлива, снижению коэффициента избытка воздуха α, часового расхода воздуха Gв, эффективного коэффициента полезного действия ηе и приведенного к дизельному топливу часового GДТприв и удельного эффективного geДТприв расходов топлива. Так, на номинальном режиме работы применение СТЭ приводит к соответсвующим значениям мощностных и экономических показателей работы дизеля, указанным в таблице 2. Содержание токсичных компонентов в ОГ дизеля представлено на рис. 2. При анализе графики токсичности и дымности ОГ дизеля при работе на СТЭ видно, что происходит снижение содержания во всем диапазоне исследования частот вращения оксидов азота NOx, сажи С, диоксида углерода CO2 и оксида углерода СО, при этом отмечен рост суммарных углеводородов СНx [6]. Так, на номинальном режиме работы применение СТЭ приводит к соответсвующим значениям показателей токсичности и дымности ОГ дизеля, представленым в таблице 3. Выводы При работе дизеля 4Ч 11,0/12,5 на СТЭ следующего состава: спирт (метанол или этанол) - 25 %, моюще-диспергирующая присадка сукцинимид С-5А - 0,5 %, вода - 7 %, дизельное топливо - 67,5 % установлена возможность сохранения мощностных показателей на уровне серийного дизеля. Так, при частоте вращения n = 2200 мин-1: ДП - Ne = 55,2 кВт; МТЭ - Ne = 55,4 кВт (увеличение на 0,4 %); ЭТЭ - Ne = 55,0 кВт (снижение на 0,4 %). Дано перспективное решение улучшения экологических показателей дизеля путем применения СТЭ, позволяющее снизить содержание в ОГ при работе на МТЭ: оксидов азота - на 41,3 %, сажи - в 6,9 раза, диоксида углерода - на 6,7 %, оксида углерода на 45,0 %; при работе на ЭТЭ: оксидов азота - на 50,2 %, сажи - в 5,2 раза, диоксида углерода - на 23,8 %, оксида углерода - на 25,0 %. Таблица ١ Основные показатели этанола и метанола Топливо Показатели Эффективная мощность Ne, кВт Расход топлива удельный эффективный ge, г/(кВт⋅ч) удельный эффективный, приведенный к дизельному топливу ge дт прив, г/(кВт⋅ч) часовой Gт, кг/ч часовой, приведенный к дизельному топливу GДТ прив, кг/ч Дизельное 55,2 243 - 13,4 - МТЭ 55,4 (увеличение на 0,4 %) 316 (увеличение на 30,0 %) 213 (снижение на 12,3 %) 17,5 (увеличение на 30,6 %) 11,8 (снижение на 11,9 %) ЭТЭ 55,0 (снижение на 0,4 %) 297 (увеличение на 22,2 %) 200 (снижение на 17,7 %) 16,3 (увеличение на 21,6 %) 11,0 (снижение на 17,9 %) а б Рис. 1. Изменение мощностных и экономических параметров работы дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от частоты вращения: а - Θвпр = 23º; б - Θвпр = 26º; - ДП; - ЭТЭ; - МТЭ Таблица ٢ Результаты исследований мощностных и экономических показателей работы дизеля ٤Ч ١١,٠/١٢,٥ при Θвпр = ٢٣º и номинальном режиме (n = ٢٢٠٠ мин-١, pе = ٠,٦٤ МПа) Топливо Показатели Эффективная мощность Ne, кВт Расход топлива удельный эффективный ge, г/(кВт⋅ч) удельный эффективный, приведенный к дизельному топливу ge дт прив, г/(кВт⋅ч) часовой Gт, кг/ч часовой, приведенный к дизельному топливу GДТ прив, кг/ч Дизельное 55,2 243 - 13,4 - МТЭ 55,4 (увеличение на ٠,٤ %) 316 (увеличение на 30,0 %) 213 (снижение на 12,3 %) 17,5 (увеличение на 30,6 %) 11,8 (снижение на 11,9 %) ЭТЭ 55,0 (снижение на 0,4 %) 297 (увеличение на 22,2 %) 200 (снижение на 17,7 %) 16,3 (увеличение на 21,6 %) 11,0 (снижение на 17,9 %) а б Рис. 2. Изменение содержания токсичных компонентов в ОГ дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от частоты вращения: а - Θвпр = 23º; б - Θвпр = 26º; - ДП; - ЭТЭ; - МТЭ Таблица ٣ Результаты исследований показателей токсичности и дымности ОГ дизеля ٤Ч ١١,٠/١٢,٥ при оптимальных значениях Θвпр и номинальном режиме (n = ٢٢٠٠ мин-١, pе = ٠,٦٤ МПа) Топливо Показатели Оксиды азота NOx, ppm Сажа С, ед. по шкале Bosch CO2, % CO, % Дизельное 1320 6,2 10,5 0,20 МТЭ 775 (снижение на 41,3 %) 0,9 (снижение в 6,9 раза) 9,8 (снижение на 6,7 %) 0,11 (снижение на 45,0 %) ЭТЭ 657 (снижение на 50,2 %) 1,2 (снижение в 5,2 раза) 8,0 (снижение на 23,8 %) 0,15 (снижение на 25,0 %)

About the authors

V. A Lihanov

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

References

Supplementary files