Fuel systems for feeding mixed fuels in high-speed diesel engines

Full Text

Введение Одна из актуальных задач современного этапа жизнедеятельности общества состоит в комплексном решении экологических и топливно-энергетических проблем дизелей, предназначенных для транспортной, сельскохозяйственной, строительной и промышленной техники. При этом, в перечисленных сферах доминирующее распространение получили дизели. В этой связи актуальными являются работы по использованию в двигателях с воспламенением от сжатия смеси топлив нефтяного происхождения и альтернативных. К перспективным альтернативным топливам относят природный газ, спирты, синтетические топлива, природные масла и эфиры на их основе. Часть альтернативных топлив можно произвести из органических материалов растительного происхождения. Сейчас происходит активное внедрение этих смесевых топлив - совместно с бензином или дизельным топливом. Важнейшим здесь является адаптация компонентов этих топлив для использования в поршневых ДВС с целью получения их показателей на уровне двигателей, применяющих традиционные топлива. Цель исследования В мировой практике известны различные пути решения вышеуказанных проблем дизелей. Один из них - совместная подача в камеру сгорания (КС) традиционного (дизельного) топлива и альтернативных топлив в виде смеси. Это позволяет расширить число альтернативных топлив, которые можно использовать для питания дизелей и тем самым существенно сократить расход дизельного топлива за счет его частичной замены альтернативными топливами. Здесь необходимо отметить, что многие альтернативные топлива имеют низкое цетановое число (ЦЧ), из-за чего их совместное применение с дизельным топливом приводит к уменьшению ЦЧ всей смеси. В результате в процессе рабочего цикла дизеля наблюдается увеличение периода задержки воспламенения и увеличение динамических показателей процесса сгорания. При этом может иметь место увеличение выброса отдельных токсичных составляющих отработавших газов, например оксида углерода СО и углеводородов СН в случае совместной подачи дизельного топлива и спирта [1]. Решение отмеченных проблем, связанных с динамикой сгорания и выбросами токсичных веществ, возможно путем рационального использования компонентов смеси в процессе впрыскивания. Применительно к смеси дизельного топлива и альтернативного топлива с низким ЦЧ представляется целесообразным начало подачи смеси в КС дизеля осуществлять при максимальном содержании дизельного топлива, а заканчивать впрыскивание с нарастающей долей альтернативного топлива. Таким образом, ставится вопрос о коррекции состава смеси непосредственно в процессе ее впрыскивания в КС дизеля в зависимости от конкретного режима работы дизеля. Кроме того, на отдельных режимах, например пуск двигателя, целесообразно полностью отключить подачу альтернативного топлива. Объект и результаты исследований Изложенные требования к способу организации подачи топлива в КС дизеля могут быть удовлетворены с помощью двух вариантов топливных систем подачи смесевого топлива (ТСПСТ), разработанных в МАДИ [2-5]. Первый вариант ТСПСТ (рис. 1) включает два топливных насоса высокого давления (ТНВД) 2, 11 серийной конструкции для подачи, соответственно, основного топлива (дизельного топлива) 11 и присадки 2 (альтернативного топлива) к форсункам из соответствующих баков 1 и 12. Корпус 3 форсунки [2] для ТСПСТ отличается от корпуса серийного изделия наличием двух каналов для подвода к распылителю, соответственно, основного топлива и присадки. Форсунка укомплектована распылителем 8, который также имеет каналы для подвода дизельного 7, 10 и альтернативного 4, 5 топлив. Подача дизельного топлива через осевой канал 7 в игле 9 распылителя также имеет принципиальное значение, так как оно неминуемо попадает в зазор между иглой и корпусом и тем самым способствует смазке данной прецизионной пары. Смешение компонентов смеси осуществляется в полости Vф см, расположенной у основания запирающего конуса иглы. Это еще одна принципиальная особенность конструкции распылителя форсунки, предназначенной для ТСПСТ. Подвод топлива из канала 7 к полости Vф см осуществляется через радиальные каналы 6, выходные кромки которых расположены выше запирающей кромки иглы 9. Предлагаемый вариант ТСПСТ (рис. 1) был испытан на безмоторной установке и на двигателе. В этих опытах использовалось стандартное дизельное топливо марки Л и воду в качестве присадки. Опытная ТСПСТ была укомплектована ТНВД модели УТН для подачи дизельного топлива и ТНВД Bosch размерности «А» для впрыскивания присадки. Экспериментальная форсунка была изготовлена на Ногинском заводе топливной аппаратуры (ОАО «НЗТА»). На безмоторной установке определяли характеристики впрыскивания и состав смеси в каждый момент процесса топливоподачи. Для этого использовался механический стробоскоп щелевого типа, ширина щели которого составляла 1° поворота кулачкового вала ТНВД. Состав смеси оценивался коэффициентом Kсм, который характеризует массовую долю присадки в смеси: , где с учетом, что и , имеем . Здесь Gп, Gт - массовые подачи присадки и дизельного топлива; Vсм, Vп, Vт, ρсм, ρп, ρт - объемные подачи смеси, присадки и дизельного топлива и их плотности. Для иллюстрации результатов исследования на рис. 2 представлены характеристика впрыскивания смеси ∆G = f(ϕк) и изменение состава смеси в процессе впрыскивания Kсм = f(ϕк), где ∆G - массовая подача смеси за 1° поворота кулачкового вала ТНВД; ϕк - угол поворота кулачкового вала ТНВД. Режим испытаний был следующий: частота вращения вала ТНВД nк = 1000 мин-1; цикловая подача дизельного топлива - 50,6 мг, воды - 20,02 мг. Оба ТНВД одновременно подавали компоненты смеси к форсунке. Значение угла ϕк, принятое за ноль на рис. 2, соответствовало началу характеристики впрыскивания. Как видно из рис. 2, предлагаемая СПСТ обеспечивает в начальный период процесса незначительное содержание воды в смеси (Kсм = 6…30 %). Минимальное Kсм наблюдалось при ϕк = 7…8°, т. е. при максимальном количестве топлива. С уменьшением общей подачи смеси (ϕк > 8°) доля присадки в смеси значительно увеличивалась, и при ϕк = 10…12° Kсм = 80…90 %. Полученные зависимости ∆G = f(ϕк) и Kсм = f(ϕк) имеют частный характер, но очевидно, что ТСПСТ позволяет обеспечить коррекцию состава смеси в процессе впрыскивания. Моторные исследования ТСПСТ проводили на одноцилиндровом двигателе, смонтированном на универсальном картере ИТ-9 (1Ч 10,5/12), который имел размерность дизелей семейства Владимирского тракторного завода (ОАО «ВТЗ»). Испытательный стенд был оборудован системами, измерительными устройствами и приборами в соответствии с ГОСТ 14846-86. На двигателе оценивали работоспособность СПСТ и определяли экологические и динамические показатели рабочего процесса дизеля. Полученные в ходе исследований результаты представлены на рис. 3 и рис. 4. На этих рисунках ∆p/∆ϕ - средняя скорость нарастания давления; pz - максимальное давление цикла; NOx - выбросы оксидов азота; C - выбросы сажи; CO - выбросы оксида углерода. Рис. 3 служит иллюстрацией влияния состава смеси Kсм на рабочий процесс дизеля и его экологические характеристики при среднем эффективном давлении ре = 0,5 МПа и частоте вращения коленчатого вала n = 1800 мин-1. Опыты проводились при оптимальном установочном угле опережения впрыскивания, который определяли без подачи воды (Kсм = 0). Анализ рис. 3 показывает, что увеличение доли воды в смеси с дизельным топливом приводит к улучшению состава продуктов сгорания в дизеле. Так при Kсм = 50 % наблюдается снижение выбросов С почти в 10 раз, NOx - в 2,6 раза, а CO - в 2,5 раза. С другой стороны, увеличение Kсм приводит к ухудшению динамических показателей процесса сгорания, а следовательно, и акустических характеристик дизеля. В частности при Kсм = 50 % наблюдается увеличение pz с 7,1 (Kсм = 0) до 8 МПа и ∆p/∆ϕ с 0,18 до 0,24 МПа/град. На рис. 4 показаны результаты работы дизеля, оборудованного СПСТ, по нагрузочной характеристике при n = 1800 мин-1 и Kсм = 0, 20 и 30 %. Видно, что с позиции экологии наилучшие результаты были получены при Kсм = 30 %. Однако влияние присадки на экологические характеристики продуктов сгорания в наибольшей степени проявлялось при больших нагрузках. Например, при ре = 0,5 МПа увеличение Kсм с 0 до 20 % привело к уменьшению содержания С в продуктах сгорания в 4,2 раза, тогда как при ре = 0,2 МПа - только в 2,2 раза. В то же время на всех режимах работы дизеля присадка воды ухудшала динамические показатели. Следует заметить, что при использовании смеси дизельного топлива и воды значения рz на частичных режимах могут быть больше, чем на номинальном режиме работы, но при Kсм = 0. Так, при ре = 0,2 МПа и Kсм = 50 % рz = 7,25 МПа, а при ре = 0,5 МПа и Kсм = 0 рz = 7,05 МПа. Поэтому с точки зрения многопараметровой оптимизации экологических характеристик дизеля целесообразно качественное регулирование состава смеси топлив с учетом нагрузки дизеля, вплоть до полного отключения подачи одного из компонентов, о чем было сказано выше. Несмотря на большие возможности первого варианта ТСПСТ (рис. 1), его внедрение в промышленное производство связано с серьезной модернизацией конструкций уже существующих двигателей или их топливной аппаратуры (ТА). Поэтому с этой точки зрения представляет интерес второй вариант ТСПСТ (рис. 5) [3], который позволяет решать задачу подачи двух топлив через общую форсунку, используя один ТНВД традиционного типа. В данном варианте ТСПСТ (рис. 5), также как и в предыдущем, для подачи основного (дизельного) топлива используется традиционная ТА разделенного типа, но для подачи присадки (альтернативного топлива) задействована аккумуляторная ТА. В состав ТА разделенного типа, в частности, входит серийный ТНВД 13 и бак 14, штатно устанавливаемые на транспортном средстве. ТА аккумуляторного типа содержит баллон 3 для хранения альтернативного топлива, баллон 1, содержащий инертный газ, аккумулятор 4, топливопроводы, обратный клапан 7. Инертный газ, содержащийся в баллоне 1, обеспечивает заданное давление pа в баллоне 3 и аккумуляторе 4, которое регулируется редуктором 2 и регистрируется манометром 5. Обратный клапан 7 исключает обратный ток в систему подачи альтернативного топлива и ограничивает длину и объем канала в форсунке 8, по которому осуществляется подвод топлива к распылителю 9. ТСПСТ позволяет обеспечивать подачу только одного топлива (дизельного) с полным отключением подачи альтернативного топлива с помощью крана 6. Конструкция самой форсунки 8 и ее распылителя 9 полностью идентичны первому варианту ТСПСТ: в распылителе присутствуют два канала для подвода дизельного 11, 15 и альтернативного 10, 12 топлив; смешение обоих топлив осуществляется в полости Vф см, расположенной у основания конуса иглы 16. В работе ТСПСТ можно выделить два периода. Первый - подача альтернативного топлива к полости Vф см системой аккумуляторного типа под действием давления pа. Второй - подача традиционного топлива к полости Vф см с помощью ТНВД и подача образовавшейся смеси в КС дизеля через распыливающие отверстия 17. Перед установкой данного варианта ТСПСТ на дизель была проведена серия безмоторных исследований системы с использованием механического стробоскопа щелевого типа. Эти исследования были необходимы для проверки работоспособности ТСПСТ и выявления возможностей коррекции характеристики впрыскивания qф = f(ϕк) и характеристики состава смеси топлив Kсм = f(ϕк) за счет изменения длины Lп и площади fп проходного сечения топливопровода, соединяющего клапан 7 и форсунку 8. При проведении экспериментов в качестве основного топлива использовалось дизельное топливо марки Л, а в качестве альтернативного - вода. ТСПСТ была укомплектована серийным ТНВД модели УТНМ производства ОАО «НЗТА». В ходе исследований ТСПСТ показала свою работоспособность в широком диапазоне скоростных режимов работы. Так на рис. 6 и 7 представлены характеристики qф = f(ϕк) и Kсм = f(ϕк), которые были получены экспериментально на частотах вращения nк соответственно 600 и 900 мин-1. На данных рисунках значение угла поворота кулачкового вала ТНВД, принятое за ноль (ϕк = 0), соответствует началу характеристик впрыскивания. Из рис. 6 и рис. 7 видно, что за счет изменения длины Lп и площади fп возможно качественно повлиять на протекание характеристики Kсм = f(ϕк), причем сам характер этого влияния не зависит от изменения nк. На рис. 6 и рис. 7 показаны два принципиально разных характера изменения состава смеси в процессе ее впрыскивания. В первом случае (рис. 6, а и рис. 7, а) в начальной фазе впрыскивания содержание альтернативного топлива в смеси меньше, чем в конечной. Во втором случае (рис. 6, б и рис. 7, б) наоборот - в конечной фазе подается меньшее относительное количество альтернативного топлива, чем в начальной. Очевидно, что первый характер протекания Kсм = f(ϕк) (рис. 6, а и рис. 7, а) приемлем для подачи альтернативных топлив, обладающих плохой самовоспламеняемостью из-за своего низкого ЦЧ. Поэтому, поскольку пробные испытания дизеля планировалось проводить при совместной подачи дизельного топлива и этилового спирта, было решено установить на двигатель комплектацию ТСПСТ у которой fп = 3,14 мм2, Lп = 176 мм. Возможность применения в случае подачи этилового спирта указанной комплектации ТСПСТ, подобранной при использовании воды в качестве альтернативного топлива, была обоснована на основе экспериментальных данных, полученных в ходе данного исследования. Для проведения моторных исследований был выбран дизель Д-120 (2Ч 10,5/12) ОАО «ВТЗ». На рис. 8 представлен Д-120, оборудованный ТСПСТ согласно схеме, данной на рис. 5. При этом для подачи дизельного топлива используется ТА, штатно установленная на данный двигатель: фильтры, топливопроводы, ТНВД. Дизель имеет полусферическую КС, размещенную в днище поршня, степень сжатия ε = 16,5, рабочий объем цилиндров i ⋅ Vh = 2,08 л, номинальную частоту вращения коленчатого вала nном = 1800 мин-1. Задача моторных исследований состояла в определении работоспособности указанного варианта ТСПСТ на дизеле и выявлении возможности снижения выбросов токсичных веществ при сохранении мощностных показателей двигателя на уровне серийной комплектации, а также снижении расхода дизельного топлива путем частичной его замены этиловым спиртом. В качестве токсичных веществ рассматривались оксиды азота NOx, сажа C и оксид углерода CO. Среднее эффективное давление pe рассматривалось как мощностной показатель. В ходе исследований была снята серия регулировочных характеристик по давлению pa при разных значениях ре и n = 1200 мин-1. Указанное значение n было выбрано как один из наиболее тяжелых скоростных режимов испытуемого двигателя. С целью снижения выбросов NOx было выбрано значение угла опережения впрыскивания топлива θвпр = 13° поворота коленчатого вала до верхней мертвой точки. Возникающий при таком угле рост сажи в отработавших газах планировалось уменьшить за счет совместной подачи дизельного топлива и этилового спирта. Анализ полученных регулировочных характеристик показал, что на каждом нагрузочном режиме существует свое оптимальное значение ра, которое обеспечивает наилучшее сочетание значений выбросов всех вышеперечисленных токсичных веществ, и эти значения более благоприятны, чем значения при работе двигателя только на дизельном топливе. В процессе данного исследования оптимальные значения ра были 1,96…2,94 МПа. Нагрузочные характеристики дизеля при его работе на дизельном топливе и при совместной подаче дизельного топлива и этилового спирта представлены на рис. 9. В случае совместной подачи на каждом из представленных по ре режимов выбиралось наиболее удачное сочетание экологических показателей, обеспеченное определенным давлением ра. Из рис. 9 видно, что совместная подача дизельного топлива и этилового спирта позволила добиться значительного снижения выбросов сажи. Так, на режиме ре = 0,59 МПа получено снижение в 1,6 раза. Отмечено уменьшение выбросов NOx при совместной подаче топлив. Наибольшее снижение выбросов NOx отмечено при ре = 0,47 МПа и составило 11 %. Выбросы CO практически не изменились при переходе на совместную подачу двух топлив, а отмеченное на рис. 9 расхождение не выходило за пределы погрешности измерения. Кроме сказанного, опыты показали, что при ра = 2,45 МПа снижение расхода дизельного топлива при его совместной подаче с этиловым спиртом по сравнению с расходом при работе только на дизельном топливе составило от 14 % (ре = 0,31 МПа) до 8 % (ре = 0,61 МПа). Заключение На кафедре «Теплотехника и автотракторные двигатели» МАДИ создан ряд систем, предназначенных для совместной подачи двух топлив в камеру сгорания дизеля через общую форсунку. В ходе проведенных исследований указанные системы показали свою работоспособность и возможность осуществлять направленную коррекцию состава смесевого топлива в процессе его впрыскивания в камеру сгорания двигателя. Испытания дизелей, оборудованных этими системами, показали возможность улучшения экологических характеристик серийного двигателя при снижении расхода дизельного топлива путем частичного его замещения альтернативным топливом (на примере этилового спирта).

About the authors

V. I Mal'chuk

Moscow Automobile and Road Construction State Technical University (MADI)

Email: dvs@madi.ru
PhD in Engineering

A. Yu Dunin

Moscow Automobile and Road Construction State Technical University (MADI)

Email: dvs@madi.ru
PhD in Engineering

I. V Alekseev

Moscow Automobile and Road Construction State Technical University (MADI)

Email: dvs@madi.ru
DSc in Engineering

Yu. V Trofimenko

Moscow Automobile and Road Construction State Technical University (MADI)

Email: dvs@madi.ru
DSc in Engineering

S. M Kalinina

Moscow Automobile and Road Construction State Technical University (MADI)

Email: dvs@madi.ru

References

Supplementary files