Исследование показателей процесса сгорания в тракторном дизеле при применении природного газа и рециркуляции, метаноло- и этаноло-топливных эмульсий

Полный текст

Массовое внедрение альтернативных видов топлива неизбежно, так как определяется объективной причиной ограниченности мировых запасов нефти и возрастающими экологическими требованиями. По оценке многих специалистов, перспективным для тракторных дизелей в ближайшем будущем может стать газообразное топливо, особенно природный и попутный нефтяной газы, а также спиртовое топливо, в основном этанол и метанол. В работе представлены результаты экспериментальных исследований показателей процесса сгорания в тракторном дизеле 4Ч 11,0/12,5 при применении КПГ (20% - запальная порция дизельного топлива (ДТ), 80% - КПГ), рециркуляции отработавших газов (РОГ), метаноло-топливной эмульсии (МТЭ) и этаноло-топливной эмульсии (ЭТЭ). Исследования проводились с целью определения и оптимизации основных параметров процесса сгорания при работе дизеля на ДТ, КПГ с РОГ, МТЭ и ЭТЭ [1, 2]. В результате проведенных исследований физико-химических свойств и стабильности ЭТЭ и МТЭ и первичных испытаний на двигателе в качестве оптимальных для дизеля 4Ч 11,0/12,5 приняты эмульсии следующего состава: спирт (метанол или этанол) - 25%, моюще-диспергирующая присадка сукцинимид С-5А - 0,5%, вода - 7%, ДТ - 67,5%. Регулировочные характеристики в зависимости от изменения установочного угла Θвпр опережения впрыскивания топлива (УОВТ) дизеля 4Ч 11,0/12,5 при частоте вращения коленчатого вала n = 2200 мин-1 (номинальный скоростной режим) для показателей процесса сгорания представлены на рис. 1 [3, 4]. Анализируя графики изменения показателей процесса сгорания при работе на КПГ, можно отметить, что с увеличением установочного УОВТ возрастают максимальная осредненная температура газов в цилиндре дизеля Tmax, максимальное давление сгорания pz , степень повышения давления λ, жесткость процесса сгорания (dp/dj)max и уменьшается значение угла φi , соответствующего периоду задержки воспламенения (ПЗВ). Применение на газодизеле РОГ не изменяет характер протекания кривых относительно установочного УОВТ и приводит к снижению Tmax, pz , λ, (dp/dj)max и увеличению φi [5, 6]. Так, при работе по газодизельному процессу с РОГ снижается максимальное давление газов в цилиндре двигателя. При Θвпр = 26° при работе с РОГ 10% оно составляет 9,4 МПа, что на 4,9% ниже, чем при чисто газодизельном процессе, и на 8,2% выше, чем при дизельном. Снижается жесткость процесса сгорания и при Θвпр = 26° составляет 0,95 МПа/град. Незначительно увеличивается угол, соответствующий ПЗВ. При Θвпр = 23° максимальное давление в цилиндре дизеля при газодизельном процессе составляет 8,5 МПа, а при газодизельном процессе с РОГ 10% - 8,1 МПа, что на 3,5% ниже, чем при чисто газодизельном процессе, и всего на 1,2% отличается от дизельного. Жесткость процесса сгорания при Θвпр = 23° при газодизельном процессе с РОГ 10% составляет 0,6 МПа/град., что на 15,5% ниже, чем при чисто газодизельном процессе, и на 36,8% ниже, чем при работе с РОГ 10% при Θвпр = 26°. Уменьшение показателей процесса сгорания при работе на КПГ с РОГ на всех исследуемых углах Θвпр объясняется в первую очередь ограниченностью коэффициента избытка воздуха, что приводит к увеличению угла φi, соответствующего ПЗВ. Процесс сгорания протекает за меньший период времени и менее интенсивно, что может препятствовать окислению азота метановоздушной смеси в условиях недостатка кислорода, замедлять процесс образования оксидов азота в цилиндре, и соответственно, снижать содержание оксидов азота в ОГ дизеля [7, 8]. Сравнивая графики работы дизеля 4Ч 11,0/12,5 на МТЭ и ДТ, можно отметить, что значения показателей процесса сгорания увеличиваются при работе на МТЭ. Так, при установочном УОВТ Θвпр = 20º при переходе с ДТ на МТЭ наблюдаются повышение Tmax на 14,7%, (dp/dj)max на 47,3%, λ на 21,7%, φi на 34,3% и снижение pz на 9,3%. При Θвпр = 23º при переходе с ДТ на МТЭ наблюдаются повышение Tmax на 9,9%, pz на 4,7%, (dp/dj)max в 2,1 раза, λ на 15,9%, φi на 25%. При Θвпр = 26º при переходе с ДТ на МТЭ наблюдаются повышение Tmax на 6,9%, pz на 3,3%, (dp/dj)max в 2 раза, λ на 6,4%, φi на 22%. При Θвпр = 29º при переходе с ДТ на МТЭ наблюдаются повышение Tmax на 5,6%, (dp/dj)max на 44,5%, λ на 0,5%, φi на 17,2%, а pz соответствует дизельному процессу. Сравнивая работу дизеля 4Ч 11,0/12,5 на ЭТЭ и ДТ, можно отметить, что значения показателей процесса сгорания при работе на ЭТЭ так же, как и на МТЭ, увеличиваются. Так, при Θвпр = 20º при переходе с ДТ на ЭТЭ наблюдаются повышение Tmax на 16,5%, pz на 8,5%, (dp/dj)max на 35,6%, λ на 18,9%, φi на 24,1%. При Θвпр = 23º при переходе с ДТ на ЭТЭ наблюдаются повышение Tmax на 12,8%, pz на 9%, (dp/dj)max на 41,6%, λ на 16,3%, φi на 19,6%. При Θвпр = 26º при переходе с ДТ на ЭТЭ наблюдаются повышение Tmax на 11,6%, pz на 10,3%, (dp/dj)max на 39,4%, λ на 12,3%, φi на 17,9%. При Θвпр = 29º при переходе с ДТ на ЭТЭ наблюдаются повышение Tmax на 10,3%, pz на 9%, (dp/dj)max на 35,5%, λ на 9,2%, φi на 14,3%. Для сравнения с дизельным процессом исследования проводились на каждом скоростном режиме при двух УОВТ: 23 и 26º до верхней мертвой точки. Зависимости показателей процесса сгорания в дизеле 4Ч 11,0/12,5 при Θвпр = 23º и номинальной частоте вращения коленчатого вала n = 2200 мин-1 от изменения нагрузки представлены на рис. 2. Анализируя кривые, полученные при работе на КПГ, можно отметить, что кривые максимальной осредненной температуры газов в цилиндре Tmax, максимального давления pz, степени повышения давления λ и жесткости процесса сгорания (dp/dj)max при работе по газодизельному процессу с РОГ лежат ниже кривых чисто газодизельного процесса во всем диапазоне изменения нагрузок и уменьшаются с увеличением степени РОГ. Так, при работе по газодизельному процессу с РОГ 40% при Θвпр = 23° в диапазоне изменения нагрузок от 0,13 до 0,51 МПа происходит снижение по сравнению с газодизельным процессом Tmax на 100-400 К, pz на 7,9-19,2% и (dp/dj)max на 40,4-34,5%. При работе по газодизельному процессу с РОГ 10% на номинальной нагрузке происходит снижение по сравнению с газодизельным процессом Tmax на 150 К, pz на 3,5% и (dp/dj)max на 15,5%; при работе с РОГ 20% - снижение Tmax на 300 К, pz на 9,4% и (dp/dj)max на 18,8%. Угол φi, соответствующий ПЗВ, при газодизельном процессе с РОГ выше, чем при чисто газодизельном, на всех нагрузочных режимах и увеличивается с увеличением степени РОГ. Рассмотрение показателей процесса сгорания дизеля при работе на эмульсиях выявило, что повышаются максимальная осредненная температура, максимальное давление сгорания, жесткость процесса сгорания, степень повышения давления и угол, соответствующий ПЗВ [9, 10]. Зависимости показателей процесса сгорания в дизеле 4Ч 11,0/12,5 при установочном УОВТ Θвпр = 23º, оптимальном для КПГ, КПГ с РОГ, МТЭ и ЭТЭ, от изменения частоты вращения коленчатого вала без регуляторной ветви представлены на рис. 3. Из графиков видно, что характер изменения всех показателей при работе на КПГ с РОГ, МТЭ и ЭТЭ в зависимости от частоты вращения коленчатого вала повторяет характер изменения по дизельному процессу. На номинальном режиме работы дизеля 4Ч 11,0/12,5 (pе = 0,64 МПа, n=2200 мин-1) и установочном УОВТ Θвпр = 23º применение КПГ и РОГ, МТЭ и ЭТЭ приводит к значениям показателей процесса сгорания, представленным в таблице. Показатели процесса сгорания в дизеле 4Ч 11,0/12,5 при установочном УОВТ Θвпр = 23º на номинальном режиме (pе = 0,64 МПа, n=2200 мин-1) Дизель 4Ч 11,0/12,5 Тmax, K pz, МПа λ (dp/dφ)max, МПа/град. φi, град. Дизельный процесс 2190 8,1 1,9 0,59 22,5 Применение КПГ 3010 (увеличение на 27,2%) 8,5 (увеличение на 4,7%) 2 (увеличение на 5%) 0,69 (увеличение на 14,5%) 30 (увеличение на 25%) Применение КПГ и РОГ 10% 2790 (увеличение на 21,5%) 8,1 (соответствует ДТ) 1,9 (соответствует ДТ) 0,6 (увеличение на 1,7%) 31 (увеличение на 27,4%) Применение МТЭ 2430 (увеличение на 9,9%) 8,5 (увеличение на 4,7%) 2,26 (увеличение на 15,9%) 1,25 (увеличение в 2,1 раза) 30 (увеличение на 25%) Применение ЭТЭ 2510 (увеличение на 12,8%) 8,9 (увеличение на 9%) 2,27 (увеличение на 16,3%) 1,01 (увеличение на 41,6%) 28 (увеличение на 19,6%) Таким образом, по результатам анализа показателей процесса сгорания можно отметить, что применение КПГ с РОГ, МТЭ и ЭТЭ на дизеле 4Ч 11,0/12,5 обеспечивает надежную работу и стабильность процесса сгорания, что доказывает эффективность применения указанных топлив не только для снижения токсичности ОГ, но и для улучшения показателей рабочего процесса дизеля [11].

Об авторах

В. А Лиханов

Вятская ГСХА

д-р техн. наук

О. П Лопатин

Вятская ГСХА

Email: nirs_vsaa@mail.ru
канд. техн. наук

Список литературы

Дополнительные файлы