Determination of the optimal composition of mixed fuel based on the environmental performance of a diesel engine

Cover Page

Abstract

The use of rapeseed oil (RO) in tractor engines and other agricultural machinery in its pure form or a mixture of RO with diesel fuel (DF) imposes a number of limitations associated with some difference in physical and chemical properties. Therefore, the most promising is the use of mixed fuel (MF) consisting of DF and RO. The purpose of these studies is to determine the optimal composition of the MF, consisting of DF and RM by optimizing the approximated dependences of the environmental indicators of a diesel engine. To solve this problem, bench tests of the operation of the D-245.5S diesel engine (4ChN 11.0 / 12.5) were carried out. The following determined environmental performance indicators of a diesel engine are selected: soot ( С ), nitrogen oxides ( NOx ), unburned hydrocarbons ( CxHy ), carbon dioxide ( CO2 ) and carbon monoxide ( CO ). The studies were carried out on various compositions of MF, consisting of 80% DF and 20% RO, 55% DF and 45% RO, 20% DF and 80% RO by weight, respectively. As a result of the bench tests, two load characteristics were obtained, the one at a speed of n = 1400 min-1 corresponding to the value of the maximum torque, and the second at a speed of n = 1800 min-1 corresponding to the value of the rated power, as well as the external speed characteristic of the D-245.5S tractor diesel engine (4ChN 11.0 / 12.5). The analysis of the obtained experimental data revealed the dependence of environmental indicators on the rotational speed of the diesel engine crankshaft, the average effective pressure and the addition of RO in MF by weight. Using the least squares method, the approximated mathematical dependences of the ecological indicators of a diesel engine are determined. The analysis of the obtained dependencies showed that: the increase in the crankshaft speed n , the proportion of RO in MF and a decrease in the average effective pressure pe , leads to a decrease in soot С to 4.0%, nitrogen oxides NOx to 100.0 ppm, unburned hydrocarbons CxHy to 1.0 ppm, carbon dioxide, CO 2 up to 2%, and an increase in carbon monoxide CO up to 0.16%. As a result of solving the obtained system of equations for the approximated dependences of environmental indicators, the optimal addition of RO to MF of up to 35% by weight was determined.

Full Text

Введение Инновационное сельскохозяйственное производство на сегодняшний день диктует определённые требования связанные, прежде всего, с повышением как эксплуатационных, так и экологических требований к используемой технике. Наряду с модернизацией конструктивно-технологических схем применяемых машин, а также истощением традиционных энергоресурсов и соответствие ужесточающимся экологическим требованиям, актуальными направлениями являются разработка и исследование эффективности применения новых альтернативных моторных топлив, в том числе смесевых топлив (СТ) [1]. К ним относятся масла растительного происхождения [1]. Применение в тракторных двигателях и другой сельскохозяйственной техники рапсового масла (РМ) в чистом виде или смеси РМ с дизельным топливом (ДТ) накладывает ряд ограничений, связанных с некоторым различием физико-химических свойств [1]. В связи с чем образование токсичных веществ в отработавших газах дизеля будет отличаться. Применение чистого РМ в качестве моторного топлива для дизелей затруднено так как требует разработки для этого специальных систем питания [2]. Поэтому наиболее перспективным является использование СТ состоящего из ДТ и РМ. Определение необходимого оптимального количества РМ в СТ с точки зрения экологии является на сегодняшний день актуальной задачей. В работах [3-9] проведены исследования для дизеля Д-245.12С по оптимизации состава СТ, состоящего из ДТ и РМ. «Предложена методика оптимизации состава этих смесей, базирующаяся на определении обобщенного критерия оптимальности, вычисляемого в виде суммы частных критериев, характеризующих концентрацию в отработавших газах оксидов азота и сажи, а также суммарным условным коэффициентом агрессивности отработавших газов, определяемого в виде суммы относительных удельных выбросов нормируемых токсичных компонентов и дымности на режиме максимального крутящего момента» [3-9]. Для СТ с содержанием РМ 60% получены минимальные значение обобщенного критерия оптимальности и условного коэффициента агрессивности [3-9]. Однако определение оптимальной добавки РМ в СТ при работе дизеля на других нагрузочных и скоростных режимах работы, представляет научный интерес. Одним из наиболее эффективных, точных и проверенных методов обработки экспериментальных данных является аппроксимация, при помощи которой с достаточной долей вероятности можно определить, как интерполируя, так и экстраполируя оптимальные значения контролируемых параметров при заданных условиях оптимизации [10-12]. Поэтому целью настоящих исследований является определение оптимального состава СТ, состоящего из ДТ и РМ путём оптимизации аппроксимированных зависимостей экологических показателей дизеля. Методы и средства проведения исследований Для решения поставленной задачи проведены стендовые испытания работы дизеля Д-245.5С, размерностью 4ЧН 11,0/12,5. В качестве определяемых экологических показателей работы дизеля выбраны: сажа (С), оксиды азота (NOx), несгоревшие углеводороды (CxHy), диоксид углерода (CO2) и монооксид углерода (CO). Установка для проведения стендовых испытаний состояла из нагрузочного стенда RAPIDO, балансирной маятниковой машины SAK N670 и установленного на нём дизя Д-245.5С, размерностью 4ЧН 11,0/12,5, а также приборов для определения дымности и токсичности отработавших газов, массового расхода воздуха и топлива, давления и температуры масла, охлаждающей жидкости, отработавших газов и весового устройства. На момент проведения испытаний все приборы прошли государственную поверку. Исследования проведены на различных составах смесевого топлива. На первом этапе на чистом ДТ, далее при различном массовом содержании РМ в смесевом топливе. Исследуемые составы состояли из 80% ДТ и 20% РМ, 55% ДТ и 45% РМ, 20% ДТ и 80% РМ по массе соответственно. Методика проведения стендовых испытаний соответствовала ГОСТ 18509-88 «Дизели тракторные и комбайновые. Методы стендовых испытаний (с Изменением № 1)». Необходимый состав СТ получали путём предварительного смешивания массовых долей составляющих компонентов ДТ и РМ. После этого осуществляли заправку этим составом топливного бака дизеля. В связи с тем, что чистое РМ, а также его смеси с ДТ имели меньшую удельную низшую расчётную теплоту сгорания по сравнению с чистым ДТ, то для обеспечения паспортных значений эффективной мощности и максимального крутящего момента было необходимым увеличить цикловую подачу, на величину разницы значения низшей расчётной удельной теплоты сгорания между СТ и чистым ДТ. Поэтому при проведении испытаний на различных составах СТ, каждый раз производилась регулировка топливного насоса высокого давления (ТНВД), путём изменения активного хода плунжера с целью увеличения его цикловой подачи. Перед проведением исследований получены регулировочные характеристики дизеля на вышеназванных составах СТ, в результате которых определены значения установочного угла опережения впрыскивания топлива равного 26°. Результаты исследований и их обсуждение В результате проведенных стендовых испытаний получены две нагрузочные характеристики, одна из которых при частоте вращения n = 1400 мин-1 соответствующей значению максимального крутящего момента, а вторая при частоте вращения n = 1800 мин-1 соответствующей значению номинальной мощности, а также внешняя скоростная характеристика тракторного дизеля Д-245.5С, размерностью 4ЧН 11,0/12,5 при работе на СТ с различной добавкой РМ. На рис. 1 представлены графики зависимости экологических показателей работы дизеля при n = 1400 мин-1 и n = 1800 мин-1 и различной добавке РМ в СТ от нагрузки и частоты вращения коленчатого вала. Анализ экологических показателей, представленных на рис. 1, а показал, что при увеличении нагрузки с 0,2 до 1,2 МПа и содержании РМ в СТ до 55 % снизились концентрации в отработавших газах: сажи С с 17,10 до 6,9 %, оксидов азота NOx с 2490 до 307 ppm, несгоревших углеводородов CxHy с 14,0 до 1,0 ppm и диоксида углерода CO2 с 10,97 до 2,70 %, а монооксида углерода CO увеличились с 0,01 до 0,05 % соответственно. На рис. 1, б видно, что при увеличении нагрузки с 0,2 до 1,0 МПа и содержании РМ в СТ до 55 % снизились концентрации в отработавших газах: сажи С с 38,03 до 6,8 %, оксидов азота NOx с 2630 до 131 ppm, несгоревших углеводородов CxHy с 13,0 до 1,0 ppm и диоксида углерода CO2 с 8,77 до 2,09 %, а монооксида углерода CO увеличились с 0,01 до 0,09 % соответственно. Проведенный анализ зависимостей (рис. 1, в) выявил, что при снижении n с 1400 до 2000 мин-1 и увеличении доли РМ в СТ до 55% снизились концентрации в отработавших газах сажи С с 48,57 до 8,70 %, несгоревших углеводородов CxHy с 17,0 до 4,0 ppm и оксидов азота NOx с 2730 до 1510 ppm. А при увеличении n с 1400 до 2000 мин-1 и увеличении доли РМ в СТ до 55% увеличилась концентрация в отработавших газах монооксида углерода CO с 0,03 до 0,15 %, а диоксида углерода CO2 снизилась с 10,97 до 6,80 % соответственно. а б в Рис. 1. Характеристики дизеля Д-245.5С, размерностью 4ЧН 11,0/12,5 при работе на СТ с различной добавкой РМ: а - нагрузочная при n = 1400 мин-1, б - нагрузочная при n = 1800 мин-1, в - внешняя скоростная Fig. 1. Characteristics of the D-245.5S diesel engine (4ChN 11.0 / 12.5) when operating on MF with various RO additives: a - load performance at n = 1400 min-1, b - loadperformance at n = 1800 min -1, c - full-load curve Для определения оптимального состава СТ используемого в качестве топлива для исследуемого дизеля провели аппроксимацию зависимостей экологических показателей от n, среднего эффективного давления pe и содержания РМ в СТ - РМ%. Анализ имеющихся методов аппроксимации экспериментальных данных, показал, что применение метода аппроксимации функцией для нахождения дополнительных значений, отличных от экспериментальных данных, при которой функция проходит не через узлы интерполяции, а между ними является вполне достоверной, а получаемая математическая зависимость позволяет проводить многопараметрическую оптимизацию [13]. Наиболее рациональным с точки зрения получения очень точных значений функций в случае достаточно достоверных экспериментальных данных является применение метода наименьших квадратов (МНК) [14]. Данный математический метод основан на минимизации суммы квадратов отклонений функций от искомых переменных, используется для решения переопределенных систем уравнений (когда количество уравнений превышает количество неизвестных), и для решения в случае обычных (не переопределенных) нелинейных систем уравнений, а также для аппроксимации точечных значений некоторой функции по выборочным данным [15]. Отклонения аппроксимированных функций полученных экологических показателей дизеля в зависимости от выбранных факторов: (1) где - значение отклонения экспериментальных данных в % или ppm от значений рассчитанных по аппроксимированной функции; - экспериментальные значения экологических показателей дизеля, С, NOx, CxHy, CO2, CO, [%, ppm, ppm, %, %], соответственно; - значения экологических показателей дизеля, С, NOx, CxHy, CO2, CO, [%, ppm, ppm, %, %], соответственно, аппроксимированной функции. Задача состояла в нахождении таких значений при которых сумма квадратов отклонений выражения (1), будет стремиться к минимуму: (2) Полученные экспериментальные значения экологических показателей дизеля представляют собой трёхмерные массивы данных, а значения элементов массива - значения экологических показателей. Нашли функцию, которая является оптимальной с точки зрения МНК это уравнения второго порядка, имеющие вид: (3) где , , , , , , , , , - искомые коэффициенты. Теперь с учётом выражения (3) получили функции, представляющие собой суммы квадратов отклонений известных экспериментальных данных от соответствующих данных полученных на аппроксимированных зависимостях. Подставив выражение (3) в выражение (2) получили: (4) Далее для определения искомых коэффициентов в выражении (3) на основе обращения в нуль в точке минимума функций её производных определили систему уравнений: (5) После раскрытия скобок в системе уравнений (5) и приравнивания к нулю получили «громоздкую» cистему уравнений. Далее для её решения воспользовались Алгоритмом Гаусса-Ньютона: · сначала обнулили многочлены при искомых коэффициентах , начиная со второго уравнения, для этого определили коэффициенты для первого уравнения; · умноженное на соответствующий коэффициент первое уравнение прибавили к нижележащему, в результате многочлены при искомых коэффициентах сократились; · продолжая преобразование - нашли коэффициенты для второго уравнения в новой системе, такие, что многочлены при искомых коэффициентах сократились из уравнений с третьего и ниже и т.д. В результате преобразований по алгоритму Гаусса-Ньютона получили искомые коэффициенты в уравнении (3) для всех критериев : (6) Полученная система уравнений (6) представляет собой математические зависимости экологических показателей дизеля Д-245.5С, размерностью 4ЧН 11,0/12,5 от , доли РМ по массе в СТ и . Достоверность аппроксимации полученной системы уравнений экологических показателей (6) рассчитанных методом наименьших квадратов составила 97,24%, коэффициент Дарбина-Ватсона составил 1,85, средняя абсолютная ошибка 1,71, что свидетельствует об удовлетворительной сходимости полученных экспериментальных данных с рассчитанными математическими моделями. Графическая интерпретация полученных зависимостей экологических показателей, рассчитанных по уравнениям (6) представлена на рис. 2. а б в г д Рис. 2. Зависимости: а - сажи С, %, б - оксидов азота , ppm, в - несгоревших углеводородов , ppm, г - диоксида углерода , %, д - монооксида углерода , % от среднего эффективного давления , МПа, доли РМ по массе в СТ, % и частоты вращения коленчатого вала , мин-1 дизеля Д-245.5С, размерностью 4ЧН 11,0/12,5 Fig. 2. Dependences of: a - soot С, %, b - nitrogen oxides , ppm, c - unburned hydrocarbons , ppm, d - carbon dioxide , %, e - carbon monoxide , % on the average effective pressure , MPa, the share of RO by mass in MF, % and the crankshaft rotation speed , min-1 of D-245.5S diesel engine (4ChN 11.0 / 12.5) Анализ полученных зависимостей, представленных на рис. 2 показал что: при увеличении , доли РМ в СТ и снижении приводит к снижению сажи С до 4,0 %, оксидов азота до 100,0 ppm, несгоревших углеводородов до 1,0 ppm, диоксида углерода, до 2%, и увеличению монооксида углерода до 0,16 %. Для нахождения оптимального состава СТ состоящего из ДТ и РМ решили систему уравнений при котором основным условием было найти значения , РМ и при минимально возможных значения всех экологических показателей: (7) После совместного решения системы уравнений (6) при условии (7) получены оптимальные значения факторов - , РМ и при которых достигаются минимальные значения экологических показателей дизеля. Так как нахождение взаимных минимумов системы уравнений предполагает наличие интервала из-за множества решений, поэтому определили наиболее вероятное оптимальное решение исходя из критерия оптимальности (k-optimum) при котором наиболее вероятное значение будет равным более 0,96. Результат оптимального решения системы уравнений (6) с условием (7) представлен на рис. 3. Рис. 3. Зависимость критерия оптимальности (k-optimum) от среднего эффективного давления , МПа, доли РМ по массе в СТ, % и частоты вращения коленчатого вала , мин-1 дизеля Д-245.5С, размерностью 4ЧН 11,0/12,5 Fig. 3. Dependence of the optimality criterion (k-optimum) on the average effective pressure , MPa, the share of RO by mass in MF, % and the crankshaft rotation speed , min-1 of D-245.5S diesel engine (4ChN 11.0 / 12.5) Анализ зависимости, представленной на рис. 3 показывает, что оптимальным составом СТ является добавка в него доли РМ до 35% по массе при которой обеспечиваются минимальные экологические показатели дизеля Д-245.5С, размерностью 4ЧН 11,0/12,5. Выводы 1. В результате проведенных экспериментальных исследований получены зависимости экологических показателей работы дизеля Д-245.5С, размерностью 4ЧН 11,0/12,5 при частоте вращения коленчатого вала соответствующей значению максимального крутящего момента n = 1400 мин-1, частоте вращения коленчатого вала соответствующей значению номинальной мощности n = 1800 мин-1, различной нагрузке и добавке РМ в СТ. 2. Анализ полученных экспериментальных данных выявил зависимости экологических показателей от частоты вращения коленчатого вала дизеля, среднего эффективного давления и добавки РМ в СТ по массе. 3. При помощи метода наименьших квадратов определены аппроксимированные математические зависимости экологических показателей дизеля показавшие что при увеличении частоты вращения коленчатого вала , доли РМ в СТ и снижении среднего эффективного давления приводит к снижению сажи С до 4,0 %, оксидов азота до 100,0 ppm, несгоревших углеводородов до 1,0 ppm, диоксида углерода, до 2%, и увеличению монооксида углерода до 0,16 %. 4. В результате решения полученной системы уравнений аппроксимированных зависимостей экологических показателей определили оптимальную добавку РМ в СТ до 35 % по массе.
×

About the authors

S. A Plotnikov

Vyatka State University

Dsc in Engineering Kirov, Russia

SH. V Buzikov

Vyatka State University

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

I. S Kozlov

Vyatka State University

Kirov, Russia

References

  1. Плотников С.А. и др. Исследование работы автотракторного дизеля 4ЧН 11, 0/12, 5 на смесях дизельного топлива с рапсовым маслом // Молочнохозяйственный вестник. 2017. №. 1(25).
  2. Матиевский Д.Д. и др. Применение топлива на основе рапсового масла в дизелях // Ползуновский вестник. 2006. №. 4. С. 118.
  3. Марков В.А., Девянин С.Н., Каськов С.И. Оптимизация состава смесей нефтяного дизельного топлива с растительными маслами // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2016. № 7(676). С. 28-44.
  4. Марков В.А., Маркова В.В., Сивачев В.М., Сивачев С.М. Оптимизация состава смесевого биотоплива для дизельных двигателей // Безопасность в техносфере. 2014. № 6. С. 19-30.
  5. Марков В.А. и др. Оптимизация состава многокомпонентных биотоплив для дизелей сельскохозяйственных машин // СИНТЕЗ ПОЛИФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПРИСАДОК ДЛЯ ДИЗЕЛЬНОГО И. 2013.
  6. Марков В.А. и др. Оптимизация состава смесевых биотоплив на основе растительных масел для дизельных двигателей // NBI-technologies. 2014. №. 4.
  7. Иващенко Н.А. и др. Оптимизация состава смесевого биотоплива на основе частотаого масла для транспортного дизеля // Materials of the reports on the Intern. Conf., dedicated to the 100th anniversary of the engine-building school of the Bauman’s MSTU. Moscow. 2007. С. 366-371.
  8. Адгамов И.Ф., Шаталов К.В., Костылева О.В. Оптимизация состава дизельного смесевого топлива // Эксплуатация автотракторной и сельскохозяйственной техники: опыт, проблемы, инновации, перспективы. 2017. С. 6-9.
  9. Марков В.А., Девянин С.Н., Быковская Л.И. Оптимизация состава многокомпонентных смесевых биотоплив для дизельных двигателей сельскохозяйственных машин // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2013. №. 12.
  10. Reza Miri S Mousavi Seyedi S Ghobadian B Effects of biodiesel fuel synthesized from non-edible rapeseed oil on performance and emission variables of diesel engines. Journal of Cleaner Production. 2017. vol: 142.
  11. Hellier P Ladommatos N Yusaf T The influence of straight vegetable oil fatty acid composition on compression ignition combustion and emissions. Fuel. 2015. vol: 143.
  12. Szabados G Bereczky Á Experimental investigation of physicochemical properties of diesel, biodiesel and TBK-biodiesel fuels and combustion and emission analysis in CI internal combustion engine. Renewable Energy. 2018 vol: 121.
  13. Гречухин А.Н., Куц В.В., Разумов М.С. Решение задачи аппроксимации криволинейных поверхностей слоями с постоянным и переменным сечением при формообразовании аддитивными методами // Вестник Брянского государственного технического университета. 2019. №. 3(76).
  14. Chuban M., Sheychenko R., Graborov R. Модели аппроксимации поверхности отклика в оптимизационных исследованиях машиностроительных конструкций // Вісник Національного технічного університету «ХПІ». Серія: Нові рішення у сучасних технологіях. 2015. №. 62. С. 46-51.
  15. Голубинский А.Н. Методы аппроксимации экспериментальных данных и построения моделей // Вестник Воронежского института МВД России. 2007. №. 2.

Statistics

Views

Abstract: 49

PDF (Russian): 11

Dimensions

Article Metrics

Metrics Loading ...

PlumX

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2021 Plotnikov S.A., Buzikov S.V., Kozlov I.S.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies