Influence of composition of water-biofuel emulsion on diesel engine performance

Abstract

Experimental investigation of Д-245.12С diesel engine operating on water-biofuel emulsions of different composition has been conducted. Possibility of performance improvement with the use of water-biofuel emulsions as a fuel for diesel engines is shown.

Full Text

Для оценки возможности улучшения эксплуатационных показателей при использовании ВБТЭ проведены экспериментальные исследования дизеля Д-245.12С (4ЧН 11/12,5). Описание исследуемого дизеля и моторного стенда приведено в работе [1]. Дизель типа Д-245.12С испытывался на чистом дизельном топливе (ДТ) и эмульсиях, состоящих из дизельного и биодизельных топлив и воды с содержанием последней от 0 до 15% об. Для получения эмульсий из ДТ и воды использовано эмульгирующее устройство, показанное на рис. 1 [пат. РФ на полезную модель № 104091]. Эмульгирующее устройство включает основание 1 в виде массивной плиты, на которой закреплены четыре направляющие стойки 2. Реактор 3 выполнен в виде цилиндрической емкости с верхней 4 и нижней 5 крышками. Каждая из крышек снабжена патрубком 6 для впуска и выпуска реакционных сред. Нижняя крышка имеет фланец, выходящий за габариты реактора, с четырьмя отверстиями для стоек. Фиксация реактора осуществляется с помощью гаек 7. В реакторе установлены чередующиеся неподвижные 8 и подвижные 9 диски. Последние через шток 10 связаны с якорем 11 электромагнитного двигателя, статор 12 которого посредством фланца 13 связан со стойками с помощью гаек 14. Между якорем и реактором на стойках смонтированы три параллельных диска: внешние 15 и внутренний 16. Внешние диски фиксируются на стойках с помощью гаек 17, а внутренний диск закреплен на штоке на равном расстоянии от внешних дисков. В промежутках между дисками установлены пружины 18, в совокупности с дисками образующие упругую систему устройства. При эмульгировании топлива среды, подлежащие перемешиванию, через верхний патрубок вводятся в реактор. При этом включается электромагнитный двигатель, якорь которого совершает колебательные движения с заданной частотой и амплитудой. Они и определяют свойства ВБТЭ. Колебательные движения якоря через шток передаются на подвижные диски 9, которые перемещаются между неподвижными дисками 8. Это вызывает попеременное растяжение и сжатие сред, находящихся между дисками, и их турбулизацию. За счет перемещения внешних дисков 15 относительно внутреннего диска 16 осуществляется корректировка собственной частоты подвижной части устройства для ее приближения к фиксированной частоте вынуждающей силы, развиваемой якорем, и достижения резонансного режима работы устройства. Для получения стойких ВБТЭ применен эмульгатор алкенилсукцинимид мочевины, производимый по ТУ 38.1011039-85. Испытания дизеля Д-245.12С проведены на моторном стенде АМО «ЗиЛ», оборудованном необходимой измерительной аппаратурой. Дизель исследовался при неизменном положении упора дозирующей рейки топливного насоса высокого давления с постоянным штатным углом опережения впрыскивания топлива q = 13o поворота коленчатого вала до верхней мертвой точки. Сводные характеристики основных показателей дизеля Д-245.12С, работающего на режимах внешней скоростной характеристики на эмульсиях с содержанием воды СН2О от 0 до 15%, представлены на рис. 2. Анализируя рис. 2, а, следует отметить слабую зависимость часового расхода топлива Gт от содержания воды СН2О в ВБТЭ, заметное снижение крутящего момента Ме при росте СН2О от 0 до 15% и повышение коэффициента избытка воздуха a с увеличением СН2О. Количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива (Lо и lо), определялось по выражениям [2]: Lо=(1/0,21) × (С/12 + Н/4 - О/32) , кмоль возд./кг топл.; lо = Lо μв, кг возд./кг топл., где μв = 28,93 - молекулярная масса воздуха. При росте содержания воды СН2О в ВБТЭ заметно увеличивался удельный эффективный расход топлива gе. Однако при этом на большинстве исследованных режимов эффективный КПД дизеля hе не снижался (см. рис. 2, б). Рост эффективности сгорания (эффективного КПД дизеля) при работе на ВБТЭ объясняется улучшением качества процесса смесеобразования за счет возникновения так называемых микровзрывов, наблюдающихся при повышенных температурах в камере сгорания дизеля и обусловленных повышенной испаряемостью воды по сравнению с ДТ [2]. Однако следует отметить, что при содержании воды в ВБТЭ более 15% становится затруднительным холодный пуск двигателя вследствие недостаточно высокого температурного уровня деталей, образующих камеру сгорания, и рабочей смеси в цилиндре вследствие высокой температуры парообразования воды. Так, если теплота парообразования при температуре кипения для нефтяного ДТ по ГОСТ 305-82 составляет около 210 кДж/кг, то у воды этот параметр равен 2260 кДж/кг. Поэтому запуск двигателя, а также его остановку желательно осуществлять на чистом ДТ, а затем, после прогрева двигателя, переводить его на работу на эмульгированном топливе оптимального состава. Это также будет способствовать уменьшению коррозии деталей двигателя, на которые попадает эмульгированное топливо. Проведенный комплекс экспериментальных исследований подтвердил возможность и эффективность использования эмульгированных топлив в отечественных транспортных дизелях.