Combustion and heat emission in the cylinder of tractor diesel engine operating on methanol-fuel emulsion

Full Text

Введение Постоянное ужесточение норм содержания токсичных веществ в отработавших газах (ОГ) и требований по улучшению топливной экономичности двигателей стимулирует исследования по созданию новых моторных топлив для тракторных дизелей. Использование в тракторной технике альтернативных смесевых топлив на основе метилового спирта позволит заменить нефтяные топлива, значительно расширить сырьевую базу для получения моторных топлив, облегчит решение вопросов модернизации топливных систем тракторных дизелей. Возможность получения моторных топлив с требуемыми физико-химическими свойствами позволит целенаправленно совершенствовать рабочие процессы тракторных дизелей, улучшать показатели их топливной экономичности и токсичности ОГ. Цель исследования Анализ теоретических исследований эмульсий различного состава, их физико-химических и эксплуатационных свойств подтверждает возможность использования данного вида топлива в тракторных дизелях. Эмульсии - наиболее простой, недорогой и доступный способ применения спиртов в качестве моторного топлива. Это позволяет экономить дизельное топливо (ДТ) без значительных затрат на внесение конструкционных изменений и дополнений в дизель с возможностью реализации в эксплуатируемых двигателях. Все это дает основание полагать, что исследование рабочего процесса дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на метаноло-топливной эмульсии (МТЭ), а именно изучение влияния данного топлива на показатели процесса сгорания, характеристики тепловыделения, эффективные и экологические показатели - актуальная научная задача, имеющая важное народнохозяйственное значение. Материалы и методы В Вятской государственной сельскохозяйственной академии на базе кафедры тепловых двигателей, автомобилей и тракторов проведены исследования по переводу тракторного дизеля 4Ч 11,0/12,5 на МТЭ. Исследования стабильности МТЭ выполнены по методике, разработанной в НПО «Синтез ПАВ», с учетом традиционных методик. Эмульсии приготавливались на гомогенизаторе MPW-302 при частоте вращения вала 2000 мин-1 [1]. Экспериментальная установка включала электротормозной стенд SAK-N670, дизель Д-240, измерительную аппаратуру. Испытания проводились на всех нагрузочных и скоростных режимах работы дизеля с использованием летнего ДТ по ГОСТ 305-82, моторного масла М-10-Г2 по ГОСТ 17479.1-85, технического метанола по ГОСТ 2222-95. Индицирование процесса сгорания в цилиндре дизеля проводилось с помощью индикатора МАИ-5А, оснащенного датчиком давления, который устанавливался в головке блока дизеля и соединялся каналом с камерой сгорания. Обработка индикаторных диаграмм рабочего процесса дизеля при работе на ДТ и МТЭ осуществлялась с помощью ПЭВМ по программе ЦНИДИ-ЦНИИМ. Отбор и анализ проб ОГ производился с помощью автоматической системы газового анализа АСГА-Т с соблюдением требований инструкции по эксплуатации [2]. Результаты и их обсуждение Графики стабильности МТЭ к процессу седиментации с применением присадки сукцинимид С-5А и при добавлении в состав эмульсии воды (7% мас.) представлены на рис. 1. Стабильность эмульсии повышается как при увеличении концентрации присадки, так и при увеличении концентрации метанола [3]. Так, при концентрации метанола 25% стабильность эмульсии повышается с 17,9 ч при Кп = 0,5% до 34,6 ч при Кп = 2%. По результатам исследований стабильности и первичных испытаний на двигателе принят оптимальный состав МТЭ для тракторного дизеля 4Ч 11,0/12,5: 25% метанола, 0,5% сукцинимида С-5А, 7% воды, 67,5% ДТ. Дальнейшие испытания дизеля проводились на эмульсии данного состава [4]. На рис. 2, а приведены совмещенные индикаторные диаграммы при работе дизеля на ДТ и МТЭ, оптимальных установочных углах опережения впрыскивания топлива (УОВТ) и номинальной частоте вращения. При переходе на МТЭ максимальное давление сгорания рz max возрастает с 8,51 до 8,54 МПа. Точка начала видимого сгорания при работе на ДТ лежит на линии сжатия индикаторной диаграммы при значении угла jс ДТ = 4º поворота коленчатого вала после верхней мертвой точки (ПКВ после ВМТ), а при работе на МТЭ - при jс МТЭ = 7º ПКВ после ВМТ. Процесс сгорания при работе дизеля на МТЭ сдвигается на линию расширения. При работе на ДТ значение рz max достигается при угле jz ДТ = 5,5º ПКВ после ВМТ, а при работе на МТЭ при jz МТЭ = 12,5º ПКВ после ВМТ [5]. На рис. 2, б представлены показатели, полученные в результате обработки индикаторных диаграмм. Максимальная осредненная температура цикла Тmax при работе дизеля на ДТ составляет 2220 К и наблюдается при угле jТmax = 7,5º ПКВ после ВМТ [6]. При работе дизеля на МТЭ значение Тmax повышается до 2580 К и достигается при угле jТmax = 14º ПКВ после ВМТ. При работе на МТЭ характерны увеличение скорости тепловыделения dχ/dj и сдвиг максимума скорости вправо от ВМТ. При работе на ДТ (dχ/dj)max = 0,086 наблюдается при угле j = 0,4º ПКВ после ВМТ, а при работе на МТЭ (dχ/dj)max = 0,177 достигается при угле j = 9,5º ПКВ после ВМТ. Кривые относительного χ и активного χi тепловыделений при работе дизеля на МТЭ быстрее достигают максимума [7]. Таким образом, тепловыделение при работе дизеля на МТЭ идет быстрее. Величина активного тепловыделения, соответствующая максимальному давлению сгорания рz max, при работе дизеля на ДТ составляет χi Рz max = 0,6, а при работе на МТЭ χi Рz max = 0,69. Величина активного тепловыделения, соответствующая максимальной осредненной температуре Тmax, при работе дизеля на ДТ составляет χi Тmax = 0,7, а при работе на МТЭ χi Тmax = 0,79 [8]. На рис. 3, а представлены графики влияния применения МТЭ на показатели процесса сгорания при оптимальных установочных УОВТ в зависимости от изменения нагрузки на номинальной частоте вращения. Величина Тmax при переходе на МТЭ на малых нагрузках (pе = 0,38 МПа) повышается с 2010 до 2120 К, при нагрузке pе = 0,7 МПа она повышается с 2270 до 2600 К. Величина pz max при переходе на МТЭ при pе = 0,38 МПа снижается с 7,7 до 5,6 МПа, при pе = 0,7 МПа она повышается с 8,7 до 8,8 МПа. Степень повышения давления λ при pе = 0,38 МПа составляет 1,88 при работе дизеля на ДТ, λ = 1,83 при работе на МТЭ. При pе = 0,7 МПа и работе на ДТ λ = 2,15, а при работе на МТЭ λ = 2,33, т.е. в области высокой нагрузки значение λ увеличивается. Значение (dp/dj)max при переходе на МТЭ и pе = 0,38 МПа увеличивается с 0,63 до 0,75 МПа/град., при pе = 0,7 МПа оно увеличивается с 0,74 до 1,37 МПа/град. Значение угла φi, соответствующего периоду задержки воспламенения, при переходе на МТЭ при pе = 0,38 МПа увеличивается с 23,5 до 36º ПКВ, при pе = 0,7 МПа оно увеличивается с 22 до 30º ПКВ [9]. На рис. 3, б представлено влияние применения МТЭ на характеристики тепловыделения дизеля при оптимальных установочных УОВТ в зависимости от изменения нагрузки на номинальной частоте вращения. Угол φTmax при переходе на МТЭ и pе = 0,38 МПа увеличивается с 7,5 до 20º ПКВ после ВМТ, при pе = 0,7 МПа он увеличивается с 7,5 до 14º ПКВ после ВМТ. Значение (dχ/dφ)max при переходе на МТЭ и pе = 0,38 МПа увеличивается с 0,127 до 0,194, при pе = 0,7 МПа оно увеличивается с 0,82 до 0,174. Величина χi Pz max при переходе на МТЭ и pе = 0,38 МПа повышается с 0,69 до 0,81, при pе = 0,7 МПа она повышается с 0,59 до 0,67. Значение χi Tmax при переходе на МТЭ и pе = 0,38 МПа возрастает с 0,78 до 0,87, при pе = 0,7 МПа оно возрастает с 0,69 до 0,78 [10]. На рис. 4, а представлено влияние применения МТЭ на показатели процесса сгорания дизеля при оптимальных установочных УОВТ в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала. При переходе на МТЭ значения представленных параметров возрастают. Величина Тmax на малой частоте вращения (n = 1200 мин-1) повышается с 2170 до 2260 К, при увеличении частоты вращения до n = 2400 мин-1 она повышается с 2230 до 2630 К. Значение pz max при n = 1200 мин-1 повышается с 8,6 до 9,1 МПа, при n = 2400 мин-1 оно повышается с 8,4 до 8,5 МПа [11]. Величина λ при n = 1200 мин-1 повышается с 2,26 до 2,4, при n = 2400 мин-1 она повышается с 2,07 до 2,23. Величина (dp/dj)max при n = 1200 мин-1 повышается с 0,83 до 1,58 МПа/град., при n = 2400 мин-1 она повышается с 0,69 до 1,16 МПа/град. Значение φi при n = 1200 мин-1 увеличивается с 20 до 22º ПКВ, при n = 2400 мин-1 оно увеличивается с 23 до 32º ПКВ. На рис. 4, б представлено влияние применения МТЭ на характеристики тепловыделения дизеля при оптимальных установочных УОВТ в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала. Угол φTmax при переходе на МТЭ уменьшается при n = 1200 мин-1 с 5,5 до 5º ПКВ после ВМТ, при n = 2400 мин-1 он увеличивается с 8 до 15º ПКВ после ВМТ. Величина (dχ/dφ)max при переходе на МТЭ и n = 1200 мин-1 возрастает с 0,11 до 0,139, при n = 2400 мин-1 она возрастает с 0,081 до 0,185. Величина χi Pz max при переходе на МТЭ и n = 1200 мин-1 снижается с 0,71 до 0,58, при n = 2400 мин-1 она повышается с 0,58 до 0,7. Значения χi Tmax при n = 1200 мин-1 составляют 0,73 при работе на ДТ и 0,6 при работе на МТЭ. При n = 2400 мин-1 и переходе на МТЭ величина χi Tmax повышается с 0,69 до 0,8 [12]. Выводы 1. В ходе экспериментальных исследований рабочего процесса тракторного дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на МТЭ определены значения показателей процесса сгорания и характеристик тепловыделения на номинальном режиме работы дизеля: Тmax повышается на 16,2% и составляет 2580 К; рz max повышается на 0,4% и составляет 8,54 МПа; (dp/dj)max повышается на 74,5% и составляет 1,251 МПа/град.; угол φi увеличивается на 36,4% и составляет 30º ПКВ; (dχ/dφ)max возрастает в 2 раза и составляет 0,177; χi Tmax увеличивается на 12,6% и составляет 0,789; χi Рz max увеличивается на 14,7% и составляет 0,688. 2. Для осуществления рабочего процесса дизеля 4Ч 11,0/12,5 при использовании МТЭ в качестве основного топлива необходимо соблюдать следующие рекомендации: - с целью предотвращения разложения МТЭ принятого состава ее не следует хранить в топливных баках более 18 ч; - максимальная концентрация метанола в составе МТЭ не должна превышать 25% из условия отсутствия неустойчивой работы дизеля и пропусков воспламенения в цилиндре; - при работе на МТЭ для достижения наименьшего удельного расхода топлива, минимальных выбросов токсичных компонентов с ОГ и снижения жесткости процесса сгорания необходимо уменьшить установочный УОВТ до Θвпр МТЭ = 23º.

About the authors

V. A Likhanov

Vyatka State Agricultural Academy

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

O. P Lopatin

Vyatka State Agricultural Academy

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

S. A Romanov

Vyatka State Agricultural Academy

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

A. V Paturov

Kirov Institute of Advanced Training of the Russian Federal Penitentiary Service

Email: pavkirov@bk.ru
Engineer Kirov, Russia

References

Supplementary files