The study of the performance of a diesel nozzle on mixed fuels with insufficient low-temperature properties

Full Text

Введение На сегодняшний день одним из видов моторного топлива является рапсовое масло, полученное из растительной биомассы [1, 2]. Переход на его применение в качестве альтернативы моторному топливу позволяет удовлетворить потребности в энергии без ущерба для окружающей среды [1, 2]. В связи с этим экологический фактор является основным, обуславливающим необходимость применения рапсового масла [2]. Свойствами рапсового масла, влияющими на процессы топливоподачи в тракторном дизеле, являются плотность, кинематическая и динамическая вязкость и поверхностное натяжение [1, 3-5]. Использование чистого рапсового масла взамен традиционному дизельному топливу затруднено ввиду ее высокой вязкости [6-10]. Наиболее перспективным является применение смесевого топлива, состоящего из дизельного с добавками доли рапсового масла [6-10]. Данный способ позволяет сократить расход дизельного топлива по сравнению с расходом смесевого топлива [1, 6-10]. Однако вязкость смесевого топлива выше, чем традиционного. Повышенная вязкость топлива, в конечном счете, ухудшает процессы впрыскивания и смесеобразования в цилиндрах дизеля, что в свою очередь приводит к снижению как эффективных, так и экологических показателей работы [11-16]. Для решения данной проблемы, на сегодняшний момент, существует ряд способов. Одним из них является предварительный подогрев смесевого топлива до температур, при которых значение вязкости снижается до оптимальных значений [12]. Однако данный способ требует дополнительных затрат на устройство подогревателя и его применение [7, 8]. В настоящее время более перспективным способом является введение в состав смесевого топлива присадок с целью снижения его вязкости [9, 10]. Цель исследований Расширение пределов топливной базы тракторных дизелей путем применения смесевых топлив с недостаточными низкотемпературными свойствами. Материалы и методы В связи с вышесказанным, определение оптимального состава смесевого топлива для работы топливоподающей аппаратуры тракторных дизелей является весьма актуальной задачей. Для решения поставленной задачи были проведены теоретические исследования по определению влияния добавок доли рапсового масла с присадками на низкотемпературные свойствами смесевого топлива. В работах, проведенных ранее [9, 10], был исследован ряд различных депрессорно-диспергирующих присадок. На основании проведенных исследований определена присадка DIFRON H372, оказывающая наибольшее влияние на вязкость смесевого топлива при ее наименьшей концентрации. Расчет свойств состава смесевого топлива с добавками рапсового масла и присадки через взвешенное среднее текучести компонентов обычно приводил к результатам, в несколько раз отличающимся от экспериментальных данных (табл.). Данные концентрационных зависимостей (табл.) позволяли допустить квадратичную зависимость между кинематической вязкостью и долей c рапсового масла в смесевом топливе: v = v0 + ac + bc2. (1) В случае смесевого топлива с добавками рапсового масла значения параметров регрессии, найденные по экспериментальным данным, оказались следующими: v0 = 4,524⋅10-6, a = 96,54∙10-3 и b = 3,407∙10-3 (v - в м2/с; с - в %). Расхождения между экспериментальными и вычисленными по квадратичной регрессии значениями вязкости не превышали 3 %. Ввиду того что вязкость определялась, в первую очередь, усредненными характеристиками межмолекулярного взаимодействия, рассматривали вязкость смесевого топлива в зависимости от мольной доли примеси. С этой целью вышеприведенные массовые концентрации с пересчитаны в мольные доли примеси: x = ν2/(ν1 + ν2), (2) где ν1 - количество молей дизельного топлива; ν2 - количество молей рапсового масла в смесевом топливе. Молярные массы дизельного топлива, рапсового масла и присадки DIFRON H372 приняты равными, соответственно, 226, 932 и 175 г/моль. Получено уравнение линейной регрессии: v = 4,17⋅10-6 + 69,24⋅10-6 x, [м2/с]. (3) Сопоставление линейной модели с полученными экспериментальными результатами дало удовлетворительное совпадение - погрешность не превысила 5 %. В результате зависимость вязкости от массовой концентрации рапсового масла удовлетворительно описывала линейная регрессия. В итоге получены зависимости вязкости смесевого топлива от доли рапсового масла и концентрации присадки. Согласно полученным расчетным данным определены: максимальная доля рапсового масла и концентрации присадки, равная 60 % и 2 %, соответственно, при которых значение вязкости удовлетворяет требованиям ТУ завода-изготовителя для дизельных топливных форсунок. Также определено, что введение присадки в смесевое топливо расширяет предел применения смесевых топлив с недостаточными низкотемпературными свойствами. Для определения показателей работы дизельных форсунок на смесевом топливе с добавками рапсового масла и присадки проведены испытания на стенде М-107 CR (рис. 1). Испытания проводились согласно ГОСТ 10579-2017. Для испытаний применялась бесштифтовая форсунка артикула 455.1112010-50 марки ФД-22 закрытого типа, четырехдырчатая, с распылителем и гидравлически управляемой иглой, с диаметром распыливающих отверстий 0,32 мм. Результаты и их обсуждение В ходе проведения испытаний были определены зависимости давления начала впрыскивания, герметичности по запирающему конусу и гидроплотности распылителей от добавки доли рапсового масла и концентрации присадки DIFRON H372 в смесевое топливо (рис. 2-4). На всех составах смесевого топлива с добавкой доли рапсового масла от 0 до 100 %, концентрация присадки составляла 2 %. Остальные показатели, такие как подвижность иглы распылителя, качество распыливания и герметичность уплотнений, оценивали согласно ГОСТ 10579-2017. На первоначальном этапе определяли влияние состава смесевого топлива на давление начала впрыскивания. Форсунка была отрегулирована на давление начала впрыскивания 20,5 МПа. Согласно ГОСТ, увеличение давления для форсунок автотракторных дизелей с регулировочными шайбами не должно превышать 1,2 МПа. Данные, представленные на рис. 2, показывают, что с увеличением доли рапсового масла от 0 до 100 % кривая давления начала впрыскивания изменяется по параболическому закону от 20,88 до 21,08 МПа, что удовлетворяет требованиям ГОСТа и свидетельствует о работоспособности форсунки даже на чистом рапсовом масле. Данное обстоятельство объясняется тем, что рапсовое масло обладает более высокой кинематической вязкостью (54,1⋅10-6 м2/с при температуре 20 °С) по сравнению с чистым летним дизельным топливом (0,5⋅10-6 м2/с) [12, 13]. На втором этапе определяли герметичность по запирающему конусу и герметичность уплотнений, соединений и наружных поверхностей полости высокого давления форсунки в зависимости от состава смесевого топлива. Из проведенного анализа зависимости, представленной на рис. 3 видно, что время отрыва капли топлива от носика распылителя увеличивается с 18 до 104 с, значения удовлетворяют требованиям ГОСТа (минимальное время отрыва капли топлива от носика распылителя под действием собственной массы не менее 15 с). Данное обстоятельство объясняется тем, что сила поверхностного натяжения капли дизельного топлива гораздо меньше, чем у капли рапсового масла [12, 13]. Герметичность уплотнений, соединений и наружных поверхностей полости высокого давления форсунки проверяли одновременно с испытаниями на герметичность по запирающему конусу. Во всех случаях и на всех составах смесевого топлива течей и увлажнений не наблюдалось что удовлетворяет требованиям ГОСТа и свидетельствует о работоспособности форсунки. На третьем этапе определяли зависимость гидроплотности распылителей от состава смесевого топлива. Анализ полученной зависимости, представленной на рис. 4, показал, что время снижения давления с 19,6 до 17,6 МПа, согласно ГОСТу, не превышал 5 с для всех составов смесевого топлива. А при увеличении доли рапсового масла от 0 до 100 % данный показатель даже увеличился с 5,2 до 11,3 с. Полученные данные свидетельствуют о том, что по данному показателю на всех составах смесевого топлива работоспособность форсунки обеспечена согласно ГОСТу. Данное обстоятельство объясняется тем, что рапсовое масло обладает более высокой плотностью, равной 915 кг/м3 при температуре 20 °С, по сравнению с чистым летним дизельным топливом - 860 кг/м3 [12, 13]. На последнем этапе проводились испытания подвижности иглы распылителя одновременно с проверкой качества распыливания смесевого топлива, согласно требованиям ГОСТа. Подвижность иглы распылителя определяли по параметру «звонкость». На всех составах смесевого топлива подвижность иглы распылителя была обеспечена, что, в свою очередь, свидетельствует о работоспособности форсунки по данному показателю. Согласно ГОСТу, на испытании форсунок качество распыливания должно соответствовать следующим требованиям: распыленное топливо при визуальном наблюдении должно быть туманообразным, без сплошных струек и легко различимых местных сгущений. Однако в ходе проведения испытаний выяснилось, что при увеличении доли рапсового масла в смесевом топливе свыше 60 % наблюдалось отсутствие тумана после распыливания, присутствие сплошных струек и местных сгущений (рис. 5). Это не соответствует требованиям ГОСТа и является фактом неработоспособности форсунки по данному показателю. Данное обстоятельство свидетельствует том, что использование смесевого топлива, содержащего долю рапсового масла свыше 60 %, может приводить к ухудшению процесса впрыскивания, распыливания и смесеобразования в цилиндрах дизеля, что повлечет за собой ухудшение эффективных и экологических показателей работы. Рис. 5. Пятно факела распыленного топлива В целом проведенные испытания показали, что на всех составах смесевого топлива такие показатели работы форсунки, как давление начала впрыскивания, герметичность по запирающему конусу, гидроплотность распылителей и подвижность иглы распылителя соответствуют требованиям ГОСТ 10579-2017. Однако показатель качества распыливания соответствует ГОСТу лишь на составах смесевого топлива с долей рапсового масла до 60 %. В связи с этим для сохранения работоспособности форсунок, а также эффективных и экологических показателей работы тракторного дизеля долю рапсового масла в смесевом топливе рекомендуется ограничить на уровне 60 %. Выводы В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований определены вязкость и показатели работы форсунки тракторного дизеля в зависимости от доли рапсового масла в смесевом топливе. Анализ теоретических зависимостей вязкости смесевого топлива от доли рапсового масла и концентрации присадки показал, что предельным составом, удовлетворяющим требования ТУ завода-изготовителя для топливных форсунок тракторных дизелей, является состав с максимальной долей рапсового масла 60 % и концентрацией присадки 2 %. Данные лабораторных испытаний дизельной топливной форсунки показали, что при увеличении доли рапсового масла в смесевом топливе 0 до 100 % увеличились: давление начала впрыскивания с 20,88 до 21,08 МПа, время до отрыва капли топлива от носика распылителя с 18 до 104 с, а время снижения давления уменьшилось с 5,2 до 11,3 с, соответственно. Проведенными испытаниями выявлено, что на всех составах смесевого топлива давление начала впрыскивания, герметичность по запирающему конусу, гидроплотность распылителей и подвижность иглы распылителя соответствуют требованиям ГОСТ 10579-2017, однако качество распыливания соответствует требованиям на составах смесевого топлива с долей рапсового масла до 60 %. Применение предложенных составов топлив позволит улучшить низкотемпературные свойства смесевого топлива с добавками рапсового масла, а значит, расширить топливную базу тракторных дизелей. Таблица Зависимость свойств смесевого топлива от доли рапсового масла и концентрации присадки с, % Вязкость смесевого топлива ν, м2/с, при концентрации присадки CD, % 0 0,5 1,0 2,0 0 4,524⋅10-6 4,492⋅10-6 4,455⋅10-6 4,405⋅10-6 10 6,008⋅10-6 5,945⋅10-6 5,873⋅10-6 4,811⋅10-6 20 7,885⋅10-6 7,739⋅10-6 7,633⋅10-6 7,123⋅10-6 30 10,264⋅10-6 10,096⋅10-6 9,984⋅10-6 9,860⋅10-6 40 13,899⋅10-6 13,468⋅10-6 13,270⋅10-6 12,968⋅10-6 50 17,894⋅10-6 17,692⋅10-6 17,400⋅10-6 16,985⋅10-6 Рис. 1. Общий вид стенда М-107 CR Рис. 2. Зависимость давления начала впрыскивания от состава смесевого топлива Рис. 3. Зависимость герметичности по запирающему конусу от состава смесевого топлива Рис. 4. Зависимость гидроплотности распылителей от состава смесевого топлива

About the authors

S. A Plotnikov

Vyatka State University

Email: shamilvb@mail.ru
DSc in Engineering Kirov, Russia

S. H.V Buzikov

Vyatka State University

Email: shamilvb@mail.ru
PhD in Engineering Kirov, Russia

I. S Kozlov

Vyatka State University

Email: shamilvb@mail.ru
Kirov, Russia

References

Supplementary files