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

Full Text

Введение Большая часть автотракторной техники работает на двигателях внутреннего сгорания, которые бывают, как бензиновые, так и дизельные. Дизельные двигатели обладают рядом существенных преимуществ перед бензиновыми. Это - и топливная экономичность, и меньшее содержание оксидов углерода и несгоревших углеводородов в отработавших газах (ОГ), так как дизельные двигатели большую часть времени работают на бедных смесях. Кроме того, дизельные двигатели обладают большей мощностью при меньшей частоте вращения коленчатого вала. Дополнительным преимуществом дизелей перед бензиновыми двигателями является их хорошая адаптация к работе на топливах с разными физико-химическими свойствами. Поэтому альтернативные топлива проще реализуются на базе дизельных двигателей. Работа дизеля на смесях ДТ с бензинами и керосинами возможна при внесении в конструкцию двигателя некоторых изменений. Так же в дизелях, по сравнению с двигателями с принудительным воспламенением (искровыми), эффективнее происходит сгорание, и тяжелых, и лёгких топлив при высоких степенях сжатия и больших коэффициентах избытка воздуха. Наиболее важными показателями качества ДТ, которые влияют на показатели двигателя, являются цетановое число и кинематическая вязкость. Цетановое число - важнейший показатель, характеризующий воспламеняемость дизельного топлива. Данный показатель даёт информацию о периоде задержки воспламенения топливной смеси. Цетановое число (ЦЧ) определяет быстроту запуска и тяговые параметры двигателя, жесткость рабочего процесса, расход топлива, полноту сгорания смеси и дымность отработавших газов. Чем выше ЦЧ топлива, тем медленнее происходит нарастание давления и мягче работает двигатель. Но при превышении оптимального значения цетанового числа ухудшается экономичность двигателя, в среднем на 0,2-0,3%, на единицу цетанового числа, а также повышается дымность ОГ на 1-1,5 единицы Хартриджа. Цетановое число определяет скорость предварительного окисления топлива в камере сгорания (КС) двигателя, что ускоряет воспламенение смеси, а, следовательно, и быстроту запуска двигателя. Это особенно важно при условиях низких температур. Вязкость ДТ характеризует его подвижность, величину внутреннего трения и силу взаимного сцепления молекул. Вязкость оказывает решающее влияние на первую стадию смесеобразования - распыливание в цилиндре двигателя, дальнобойность струи, чёткость начала и конца подачи топлива форсункой [1]. С увеличением вязкости топлива возрастает сопротивление топливной системы, уменьшается степень наполнения насоса. При предельном значении вязкости потери напора становятся настолько большими, что топливная струя разрывается, нарушается нормальная подача топлива к насосу, и он начинает работать с перебоями. Топливо с невысокой вязкостью хорошо распыливается, однако, при слишком малой вязкости оно подтекает через распыливающие отверстия форсунок, что приводит к их закоксовыванию [2]. Из-за слабого напора струи камера сгорания заполняется неравномерно, топливо сгорает рядом с распылителем форсунки, что затрудняет процесс сгорания и снижает мощность двигателя. Кроме того, качество работы и износ плунжерных пар зависит от вязкости и чистоты дизельного топлива, так как смазываются им. На вязкость влияет углеводородный состав топлива и температура окружающей среды. Топливо становится более вязким приснижении температуры и наоборот. В настоящее время в качестве альтернативы товарного дизельного топлива применяется большое количество других источников энергии - газы промышленного и природного происхождения, спирты, растительные масла, аммиак и некоторые другие виды [3, 4, 5]. Тем не менее, из большого числа алифатических спиртов только метанол и этанолнашли применение в качестве моторных топлив. Этанол (этиловый спирт, винный спирт, метилкарбинол, часто просто «спирт») - одноатомный спирт, имеющий молекулярную формулу C2H5OH, или CH3-CH2-OH, второй представитель гомологического ряда одноатомных спиртов. Этанол и метанол имеют практически одинаковые антидетонационные свойства. В связи с меньшей коррозионной активностью по отношению к резинотехническим изделиям и металлам, меньшей токсичностью и более высокой теплотворной способностью, этанол получил в мире большее распространение, чем метанол. В качестве моторных топлив применяются соевое, подсолнечное, арахисовое, хлопковое, пальмовое, рапсовое и другие растительные масла. Среди них особенно выделяют рапсовое масло, так как рапс неприхотлив и относительно зимостоек. Поэтому получение топлива на основе рапсового масла считается перспективным. Исследования возможности применения рапсового масла в качестве топлива (как в чистом виде, так и в смеси с дизельным топливом) показали ряд негативныхпоследствий в работе дизельного двигателя. А именно: ухудшается запуск двигателя при низких температурах, происходит потеря мощности, снижается срок службы топливной аппаратуры, нарушается работа выпускных клапанов двигателя и процесс сгорания топлива в камере сгорания, моторное масло полимеризуется и т.д. Предприятиям, эксплуатирующим свои дизели с применением жидких АТ, очень важно заблаговременно оценивать интенсивность и характер влияния эксплуатационных свойств новых топлив на показатели работы механизмов и систем ДВС. Цель настоящего исследования - анализ существующих методов безмоторной оценки эксплуатационных свойств дизельных и альтернативных топлив. Методы и средства проведения исследований Наряду с химическими и физико-химическими методами определения качества нефтепродуктов, в последнее время уже используются современные физические методы. Однако ни один из современных методов не позволяет с исчерпывающей полнотой определить показатели качества топлива. Лишь комбинируя методы определенным образом, можно решить эту задачу. Перспективным направление разработки приборов, с точки зрения оперативного контроля, является электромагнитная техника, объединяющая в себе электродинамику, оптоэлектронику, спектрометрию [6], а также акустику и магнитооптику, не применяющиеся в настоящее время при исследовании топлива. При проектировании анализаторов и измерительных приборов используют корреляционные зависимости, которые связывают величину эксплуатационного свойства топлива с его физико-химическими характеристиками. В настоящее время существуютразработки, которые позволяют без сжигания топлива определять характеристики его самовоспламенения. Ведущим в этой области исследований является Самарский государственный аэрокосмический университет им. С.П. Королева (СГАУ) [6]. Для определения цетанового числа дизельных топлив сотрудниками СГАУ были созданы и запатентованы специальные приборы. Приборы созданы на основе корреляционной зависимости между диэлектрической проницаемостью ε и цетановым числом Z (рис. 1). Рис. 1. График зависимости диэлектрической проницаемости ε дизельного топлива от цетанового числа Z при температуре 20 ˚С (по данным [3]) Fig. 1. The graph of the dependence of the dielectric constant ε of diesel fuel on the cetane number Z at a temperature of 20 ˚С (according to [3]) Рассмотрим метод оценки цетанового числа дизельных топлив по измерению следующих оптических характеристик: показателя преломления и величины магнитного двулучепреломления [7, 8]. Соответствующие зависимости показаны на рис. 2. Рис. 2. Зависимость между цетановым числом Z основных групп углеводородов и показателя преломления Fig. 2. The relationship between the cetane number Z of the main groups of hydrocarbons and the refractive index Показатель преломления можно измерить погружным рефрактометром AtagoPenRi, показанным на рис. 3. Показатель преломления индивидуальных алкилбензолов почти не влияет на их цетановое число. Это может быть учтено при введении в корреляционное соотношение для описания цетанового числа индивидуальных алкилбензолов магнитооптического бензольного индекса BIN, который возрастает с уменьшением цепи алкильного заместителя при фенильном кольце. Рис. 3. Погружной рефратометр AtagoPenRi. Fig. 3. Immersion refratometer AtagoPenRi В работе [9] было показано, что цетановое число зависит от анилиновой точки, которая имеет удовлетворительные статистические характеристики и для её получения использованы данные по 257 образцам дизельных топлив. При стандартной погрешности в ±1,6 цетановых единиц коэффициент корреляции составил r=0,903. Так как анилиновые точки и магнитооптические бензольные индексы связаны, то было использовано линейное соотношение для описания цетановых чисел: (1) Несмотря на то, что показатель преломления nD20 содержит вклад ароматических углеводородов, включение магнитооптического бензольного индекса BIN в корреляционную зависимость (1) всё равно позволяет влиять на оценки вкладов в то или иное эксплуатационные свойство парафино-нафтеновых и ароматических углеводородов. Это включение осуществляется посредством варьирования соотношения между коэффициентами перед и BIN, при том, что бензольный индекс BIN зависит только от содержания ароматических углеводородов. На рис. 4 представлена корреляционная связь цетановых чисел Z с бензольным индексом и показателем преломления дизельных топлив. Рис. 4. Корреляционная связь цетановых чисел Z с бензольным индексом и показателем преломления дизельных топлив Fig. 4. Correlation of cetane numbers Z with benzene index and refractive index of diesel fuels Анализ известных данных подтверждает, что значение ЦЧ для чистого дизельного топлива можно оперативно и с достаточной точностью определять указанными методами. Результаты исследований и их обсуждение В соответствие с вышеизложенным, справедливо предположить, что существуют аналогичные корреляционные зависимости цетанового числа Z от диэлектрической проницаемости ε, от показателя угла преломления , бензольного индекса BIN и других важнейших свойств для альтернативных топлив на базе смеси дизельного топлива с растительными маслами или спиртами. Используя данные, полученные нами в процессе физического эксперимента на полноразмерном двигателе, возможно предположить нахождение устойчивых корреляционных зависимостей между важнейшими показателями процесса сгорания, топливной экономичности дизеля, эмиссией основных токсичных компонентов и различными составами использованных жидких АТ. Выводы 1. Эксплуатационные показатели ДВС напрямую зависят от моторных и физико-химических свойств применяемых топлив. 2. Перспективным исследованием в области применения альтернативных видов топлива является безмоторная оценка их эксплуатационных свойств с помощью физико-химических экспресс методов.

About the authors

S. A Plotnikov

Vyatka State University

Email: plotnikovsa@bk.ru
Dsc in Engineering Kirov, Russia

P. V Gnevashev

Vyatka State University

Kirov, Russia

References

Supplementary files