Creation and study of the properties of multicomponent biofuels for tractor diesel engines

Full Text

Введение В настоящее время наблюдается глобальный интерес к нетрадиционным видам топлива, сырьем для которого служат возобновляемые ресурсы различного происхождения. Объемы таких ресурсов фактически безграничны [1], и предназначены они для получения, прежде всего, биотоплив. Цены биотоплив соизмеримы с ценами топлив нефтяного происхождения, а в некоторых случаях даже ниже [10]. Следует отметить, что моторные свойства биотоплив более соизмеримы с аналогичными цифрами для дизельных топлив (ДТ), чем автобензинов - в частности, обладают надлежащими значениями плотности и вязкости. Заметным отличием также является пониженная испаряемость [9]. Соответственно, применение биотоплив целесообразнее в дизельных ДВС, т.к. двигатели, работающие с воспламенением от сжатия, менее чувствительны к свойствам моторного топлива. Одновременно дизельным ДВС присущи большая степень сжатия, повышенная потребность в избытке воздуха; дизели имеют несравненно лучшие показатели топливной экономичности, меньшую вредность отработавших газов (ОГ) [2]. Наиболее значимые для работы свойства биотоплив не совпадают со свойствами товарных ДТ. В силу этого при конвертации ДВС, изначально созданных для работы на ДТ, под биотоплива обозначается перечень проблем. К которым относятся иная организация рабочего процесса, отличие процессов питания и регулирования топливом, иные характеристики распыливания и смесеобразования топливовоздушной смеси, особенности сгорания [11]. Отмеченные обстоятельства ведут к нарушению заводских регулировок дизеля, падению ряда его эксплуатационных показателей, форсированному износу деталей и снижению надежности и долговечности двигателя в целом. Одним из продуктивных направлений адаптации ДВС может быть использование многокомпонентных смесевых биотоплив. Расширения многотопливности дизелей и приближения нужных свойств биотоплив к аналогичным для товарного дизельного топлива целесообразнее достичь путем использования многокомпонентных составов, вследствие чего свойства одного топливо могут компенсировать свойства другого. Соответственно, совместное использование части дизельного топлива с рапсовым маслом [8] и этанолом является на сегодняшний день весьма интересной и актуальной задачей. Исследования в области тепловых двигателей обычно базируются на получении данных стендовых испытаний, построении по их результатам характеристик и дальнейшем глубоком теоретическом анализе полученных кривых. В реальности полученная характеристика является не чем иным, как результатом однофакторного эксперимента. Выяснить характер влияния нескольких факторов на искомый результат в отмеченном случае весьма проблематично. Решение может заключаться в одновременном снятии серии однотипных характеристик, а также совместной оценке других - регулировочных, нагрузочных, скоростных, пусковых, регуляторных и т.п. - характеристик. Такая методика позволяет достоверно выявить характер и уровень влияния любого фактора на интересующие исследователя показатели работы ДВС. Учитывая длительность и трудоемкость такого пути, все чаще стали применяться элементы научного планирования эксперимента. Применение теории планирования экспериментов в двигателестроении может быть оправдано с различных точек зрения. В первую очередь, это сокращение затрат на оптимизацию, несмотря на многочисленность исследуемых факторов. Также преимуществами можно считать: доступность для научного исследования любых природных процессов; способность управления самим процессом исследования, возможность прогнозирования данных; желание отмечать и даже снижать множество или подмножество изучаемых факторов и параметров из воздействия; очевидность проведения анализа в сравнении с уже опубликованными данными исследований; повышение точности оценки построенных по полученным уравнениям моделей процессов. Значительный вклад в развитие и внедрение планирования эксперимента внесли разработки Бокса и Уилсона, данные исследований отечественных ученых Г.К. Круга, Е.В. Марковой, В.В. Федорова, В.В. Налимова. В данное время имеется некоторый опыт использования методик планирования эксперимента в тракторном двигателестроении, отмечающийся высоким качеством полученных при этом результатов. В целом анализ литературных источников говорит о том, что дальнейшие исследования идут в двух направлениях. Во-первых, имеет место развитие методов планирования эксперимента. Во-вторых, происходит дальнейшее накопление опыта, что позволяет использовать методику при исследовании малоизученных процессов ДВС. Как правило, авторы отмечают, что теорию и методику планирования эксперимента целесообразно использовать в исследовании процесса сгорания или процесса образования токсичных компонентов ОГ или в случае ускоренных испытаний. Тем не менее, отмечается, что в большинстве направлений исследований ДВС наиболее достоверные результаты дают планы экстремальных экспериментов. В нашем случае имеет место оптимизация состава топлива. Наиболее реальную картину оптимизации можно увидеть после оценки влияния составов, не только на показатели процесса сгорания, но и на входные показатели - вязкость, плотность, низкотемпературные и другие свойства моторного топлива. Посредством оптимизации исследуемых факторов и построения поверхностей отклика, в дальнейшем открывается путь исследования самих многокомпонентных составов, учитывая непостоянство режимных факторов работы реального двигателя. Обзор литературы Следует отметить, что ряд исследователей уже пытались работать в данном направлении. Например, для оценки совместного влияния подачи воды и метилового спирта на впуске на эффективные показатели дизеля уже использовались элементы теории планирования [4]. Физический эксперимент осуществлялся на номинальной частоте вращения вала дизеля 2Ч 10,5/12,0. Установочный угол опережения впрыскивания топлива был наивыгоднейшим. Использовался симплекс-решетчатый план Шеффе для исследования определенных участков диаграммы, описывающей состав-свойство. Расположение триангyлированных компонентов Х1, Х2, Х3 и область экспериментирования представлены на рис. 1. Полученная диаграмма имела вид равностороннего треугольника. Грани треугольника представляли собой оси координат, причем любой точке треугольника был присущ всего единственно возможный состав смеси. Пересчет данных в натуральные значения переменных производился путем решения системы уравнений [4]. Для определения оптимальных нагрузочных и скоростных режимов работы дизеля 2Ч 10,5/12,0, обеспечивающих наибольшую экономию топлива и максимум эффективного КПД при работе на метаноло-топливных эмульсиях различного состава, авторами [7] было применено планирование эксперимента. Рис. 1. Нахождение триангулированных компонентов и зона эксперимента при работе дизеля 2Ч 10,5/12/0 с подачей воды и метилового спирта Fig. 1. Triangulated components location and the test zone during the operation of a 2Ch 10,5/12/0 diesel engine with water and methyl alcohol supply На рис. 2 показана поверхность отклика, характеризующая зависимость эффективного КПД от режимных факторов. Анализ полученных расчетно-теоретических данных наглядно показывает, при каком содержании метанола в суммарном топливе, при каких частотах вращения коленчатого вала и при какой нагрузке достигается наибольшая эффективность работы дизеля. Нетрудно заметить, что методика позволяет вовлечь в анализ большой диапазон нагрузочных и скоростных режимов дизеля, которые ранее оставались вне внимания исследователей. Рис. 2. Зависимость эффективного КПД дизеля от режимных факторов и состава топлива Fig. 2. Dependence of the effective efficiency of a diesel engine on operating factors and fuel composition Цель и задачи исследований Цель исследований - определение оптимального состава биотопливной композиции для тракторного дизеля с улучшенными эксплуатационными свойствами, приближенными к свойствам товарного дизельного топлива. Задачи: исследование влияния состава компонентов на значения физической стабильности и кинематической вязкости, модернизация системы питания трактора. Материалы и методы Для определения оптимального состава топливных композиций, обеспечивающих наибольшую стабильность, при проведении исследований был задействован стандартный трехуровневый план эксперимента Бокса - Бенкена второго порядка для трех факторов. Факторами служили, соответственно, Х1 - содержание рапсового масла в топливе, Х2 - содержание этанола в топливе, Х3 - содержание дизельного топлива. В качестве критерия оптимизации принимали время стабильности (в минутах). Была проведена рандомизация опытов с использованием таблиц случайных чисел [3, 5, 6]. Матрица, названия, кодированные обозначения факторов, значения критериев оптимизации приведены в табл. 1. Получение и исследование результатов осуществлялось следующим образом. 1. Подсчитывалась дисперсия ошибок опытов. 2. Подсчитывалась однородность дисперсий ошибок опытов на основе критерия Кохрена. 3. Рассчитывались значения коэффициентов модели регрессионного анализа для выбранного плана эксперимента. 4. Осуществлялась оценка значимости коэффициентов регрессии на основе t-критерия Стьюдента. 5. Определялось соответствие найденных математических моделей имеющимся данным эксперимента по F-критерию Фишера. 6. Доверительная вероятность проводимых опытов задавалась на уровне P = 0,95. Математическая обработка данных опыта осуществлялась на персональном компьютере с использованием стандартных приложений MicrosoftExcel, StatgraphicsPlus 5.1. Графическая интерпретация поверхностей отклика осуществлялась с использованием приложений StatgraphicsPlus 5.1 и Corel DRAW11. Результаты и обсуждение На рис. 3 показана поверхность отклика, построенная на основе аолученного регрессионного уравнения. При этом фактор Х3 (содержание ДТ в смеси) был зафиксирован на верхнем уровне. Комплексный анализ полученных в ходе эксперимента поверхностей отклика показал, что максимальное значение критерия оптимизации - стабильности (τ = 39,82) - имеет место при значениях факторов: X1 = 1; X2 = 0,76 и X3 = 1, что в пересчете дает следующие величины: рапсовое масло - 34,5 %; этанол - 31,0 %; дизельное топливо - 34,5 %. Известно, что вязкостно-температурные свойства ДТ оказывают существенное влияние на показатели надежности и долговечности дизельной топливной аппаратуры, а также на характеристики впрыскивания и распыливания топлива, что в конечном случае влияет на мощностные, экономические и показатели надежности самого дизеля. Поэтому стандарт устанавливает вязкость летнего дизельного топлива в пределах 3,0-6,0 сСт. Значения кинематической вязкости многокомпонентной биотопливной композиции при различных значениях состава ингредиентов и изменении температуры окружающего воздуха приведены в табл. 2. Как видно из данных табл. 2, предложенный состав [12] также позволяет сохранять вязкостно-температурные свойства композиции при изменении температуры окружающего воздуха в рамках действующего стандарта (3,0-6,0 ССт). Увеличение либо уменьшение доли как высоковязкого, так и маловязкого компонента ведет к выходу значения кинематической вязкости биотопливной композиции при изменении температуры окружающего воздуха за рамки действующего стандарта. Для работы трактора на многокомпонентной биотопливной композиции была разработана оригинальная система питания, включающая дополнительный топливный бак с установленными в нем смесителем и подогревателем (рис. 4). Рис. 4. Дополнительный бак трактора БЕЛАРУС-922 со смесителем и подогревателем Fig. 4. Additional tank of the BELARUS-922 tractor with a mixing machine and heater Смеситель приводился в действие насосом лопастного типа с электродвигателем. Это позволяло обеспечить время стабильности, достаточное для поступления биотопливной композиции от топливного бака в цилиндры двигателя. Подогрев биотопливной композиции до температуры 20-40 °С позволял сохранять ее вязкостно-температурные свойства в рамках действующего стандарта независимо от температуры окружающего воздуха [13]. Отказов в работе системы питания трактора при проведении полевых испытаний не наблюдалось. Выводы 1. Для исследования свойств многокомпонентных биотоплив применение методики планирования эксперимента является целесообразным и оправданным. 2. В результате проведенных исследований определен оптимальный состав биотопливной композиции из условия достаточной стабильности и кинематической вязкости. 3. Разработана конструкция системы питания трактора, обеспечивающая его работоспособность на биотопливной композиции. Таблица 1 Матрица плана эксперимента Бокса - Бенкена для трех факторов Table 1. Box-Behnken experimental design matrix for three factors № п/п Фактор 1, РМ (граммы) Фактор 2, этанол (граммы) Фактор 3, ДТ (граммы) Значение критерия оптимизации (стабильность, минуты) 1 3 3 3 26,0 2 1 5 3 16,6 3 1 1 3 3,0 4 3 5 5 35,0 5 5 1 3 15,0 6 1 3 1 13,5 7 5 5 3 35,5 8 3 3 3 24,0 9 1 3 5 15,5 10 3 5 1 15,5 11 3 1 1 15,5 12 5 3 1 21,0 13 5 3 5 36,0 14 3 1 5 26,0 15 3 3 3 28,0 Таблица 2 Значения кинематической вязкости многокомпонентной биотопливной композиции Table 2. Kinematic viscosity values of multicomponent biofuel composition Этанол, % Рапсовое масло, ٪ Дизельное топливо ДТ-Л-40-К٢, % Температура, °С Кинематическая вязкость, сСт 30 35,5 35,5 10,0 6,02 30 35,5 20,0 4,95 30 35,5 40,0 3,16 31 34,5 35,5 10,0 5,91 31 34,5 20,0 4,88 31 34,5 40,0 3,07 32 33,5 35,5 10,0 5,80 32 33,5 20,0 4,75 32 33,5 40,0 2,91 Рис. 3. Зависимость времени физической стабильности от факторов Х1 (РМ) и Х2 (этанол) Fig. 3. Dependence of the time of physical stability on factors X1 (PM) and X2 (Ethanol)

About the authors

S. A Plotnikov

Vyatka State University

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

A. N Kartashevich

Vyatka State University

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

M. N Glushkov

Vyatka State University

Email: plotnikovsa@bk.ru
Kirov, Russia

A. I Shipin

Vyatka State University

Email: plotnikovsa@bk.ru
Kirov, Russia

References

Supplementary files