Influence of mixed biofuel composition on the parameters of fuel injection process in diesel engine

Full Text

УДК 621.436,665.11 ТСМ № 12-2014 Влияние состава смесевого биотоплива на параметры процесса впрыскивания топлива в дизеле Д-р техн. наук В.А. Марков, инж-ры В.С. Акимов, В.А. Шумовский, канд. техн. наук В.В. Маркова (МГТУ им. Н.Э. Баумана, markov@power.bmstu.ru) Аннотация. Показаны преимущества использования в дизелях биотоплив, производимых на основе растительных масел. Приведены результаты расчетных исследований процесса впрыскивания топлива в дизеле типа Д-245.12С, работающем на смесях дизельного топлива и биотоплив. Ключевые слова: дизельный двигатель, дизельное топливо, рапсовое масло, метиловый эфир рапсового масла, смесевое биотопливо. Массовое производство моторных топлив из нефтяных ресурсов в последние десятилетия привело к тому, что значительная часть мировых запасов нефти уже исчерпана. К началу текущего тысячелетия, по приблизительным оценкам, уже добыто и потреблено около 800 млрд баррелей нефти (рис. 1) [1]. Разведанные нефтяные месторождения оцениваются в 1000 млрд баррелей. Предполагается, что неразведанные запасы содержат еще около 500 млрд баррелей нефти. Эти данные свидетельствуют о том, что для широкомасштабного выпуска моторных топлив этот сырьевой ресурс может быть использован лишь в ближайший период времени. В более отдаленной перспективе неизбежно возникнет необходимость поиска альтернативных сырьевых ресурсов и способов их промышленного использования. Необходимо отметить перспективность использования альтернативных топлив, производимых из с.-х. сырья. В России, обладающей огромной территорией, значительная часть пахотных земель, которые ранее использовались для с.-х. производства, в настоящее время не обрабатывается и постепенно теряет плодородные качества. Возможно производство биотоплива из различных масличных культур. Наличие больших площадей пахотных земель, пригодных для выращивания масличных (рис. 2), а также динамика увеличения посевных площадей, отведенных под эти культуры, и их урожайность определяют потенциальную возможность России стать одним из лидирующих государств по производству биотоплива [2, 3]. В Западной Европе и России наиболее перспективными для использования в качестве дизельного топлива считаются рапсовое масло и продукты его переработки [3-5]. Это масло может быть использовано либо как самостоятельное топливо, либо в смесях с нефтяным дизельным топливом (ДТ), либо переработано в метиловый, этиловый или бутиловый эфир. В свою очередь, эти эфиры применяются или как самостоятельное биотопливо, или в смеси с нефтяным ДТ. Для централизованных поставок топлива в городских условиях в большей степени подходит метиловый эфир рапсового масла (МЭРМ), который по своим физико-химическим свойствам наиболее приближен к нефтяному ДТ, а его цена лишь ненамного превышает цену традиционных моторных топлив. Это топливо, называемое биодизельным, многие специалисты считают лучшим из имеющихся видов топлива для двигателей с самовоспламенением [3]. Причем целесообразно использование смесей нефтяного ДТ и МЭРМ, которые в еще большей степени соответствуют свойствам традиционных моторных топлив. Эфиры растительных масел получают с использованием реакций этерификации и переэтерификации. Реакция этерификации рапсового масла метиловым спиртом (метанолом) С2Н5ОН в присутствии катализатора - едкого калия КОН - протекает при температурах от 80 до 90 оС по механизму, представленному на рис. 3 [3, 4]. Эта реакция проходит в три стадии: с распадом триацилглицеридов жирных кислот растительных масел с образованием диацилглицеридов, затем моноацилглицеридов и, наконец, с расщеплением последних с образованием метиловых эфиров жирных кислот рапсового масла и глицерина. При этерификации из 1040 кг рапсового масла и 144 кг метанола получают 1 т МЭРМ и 200 кг глицерина. Мировое производство биодизельного топлива из растительных масел к 2011 г. достигло уровня 18 млн т (рис. 4). Основой сырьевой базы для его производства остаются три вида масел - соевое, пальмовое и рапсовое. Доля рапсового масла составляет около 40% от всего объема растительных масел, перерабатываемых в биодизельное топливо. Важный аспект использования биотоплив - возможность заметного улучшения экологических характеристик как самих топлив, так и двигателей, в которых они сжигаются. Одно из основных преимуществ биотоплив состоит в том, что при их использовании появляется возможность снижения выбросов в атмосферу углекислого газа, относящегося к группе так называемых «парниковых газов». Поглощение углекислого газа растениями происходит в результате реакции фотосинтеза. Таким образом, выделяющийся при сгорании топлив растительного происхождения углекислый газ поглощается при выращивании тех же растений. При этом, как видно из рис. 5, с.-х. культуры (свекла, рапс, пшеница) обеспечивают существенно больший объем выделяемого кислорода по сравнению с дикорастущими (луга, пастбища, лес) [3]. В частности, выделение кислорода с 1 га посевов рапса за сезон составляет 10,6 тыс. м3 и сопровождается поглощением около 10 тыс. м3, или 20 т углекислого газа. При посевных площадях рапса в 1 млн га поглощение СО2 составляет 1·107 тыс. м3, или 20 млн т в год. Следует отметить еще ряд факторов, позволяющих улучшить экологическую ситуацию в городах и сельской местности при широком использовании биодизельного топлива. Благодаря незначительному содержанию серы в растительных маслах и их эфирах (10-15 ppm, или 0,001-0,0015% по объему) выбросы отработавших газов (ОГ) дизелей, работающих на биодизельном топливе, практически не содержат оксидов серы, которые, попадая в атмосферу, образуют кислоты, способствующие выпадению кислотных дождей. В растительных маслах и их эфирах отсутствуют полициклические ароматические углеводороды, которые относятся к канцерогенам. При попадании биодизельного топлива в почву и водные бассейны происходит его быстрое разложение в течение нескольких недель. К другим экологическим факторам использования биотоплива можно отнести возможность снижения выбросов с ОГ дизелей основных токсичных компонентов, лимитированных в современных нормативных документах на выбросы вредных веществ в атмосферу: монооксида углерода СО, несгоревших углеводородов СНх , сажи (дымность ОГ) и твердых частиц. Наибольший положительный эффект от использования биодизельного топлива наблюдается по выбросам легких несгоревших углеводородов, сажи и твердых частиц (рис. 6) [3]. При этом работа на биотопливах сопровождается некоторым увеличением выброса оксидов азота NOx по сравнению с работой на нефтяном ДТ, но этот выброс можно снизить путем изменения регулировок двигателя по углу опережения впрыскивания топлива или организации его регулирования в зависимости от режима работы двигателя и свойств применяемого топлива. Необходимо отметить, что топлива из растительных масел вырабатываются в Европе в больших объемах, чем биоэтанол. Так, в 2013 г. биодизельные топлива из растительных масел составили около 70% (по объему) всех биотоплив, производимых в странах Европейского союза, а биоэтанол - около 28% (рис. 7). Отмечается расширение использования биотоплив в частных хозяйствах, при этом производство биотоплив в них подавлено импортом, основанным на конкуренции. Производство биодизельного топлива из растительных масел также ограничивается из-за более широкого применения гидрообработанных растительных масел и производства биодизельного топлива из отходов. В России наибольший интерес вызывает использование рапсового масла в качестве сырьевой базы для производства биодизельного топлива. Преимущество рапса заключается в возможности его выращивания в средней полосе России - эта с.-х. культура хорошо произрастает в Черноземье, Нечерноземье, Сибири, Алтайском крае, на Урале и Дальнем Востоке [3]. В настоящее время посевные площади, отведенные в России под рапс (озимый и яровой), превысили 1 млн га, а его валовой сбор достиг 1,5 млн т при урожайности озимого рапса в среднем 15-16 ц/га. Проведенный анализ подтверждает преимущества использования биотоплив по сравнению с традиционными нефтяными моторными топливами и наличие предпосылок для более широкого применения биодизельных топлив в отечественных дизельных двигателях. Вместе с тем требуется проведение дальнейших теоретических и расчетных исследований с целью достижения наилучших показателей топливной экономичности и токсичности ОГ двигателей, работающих на биодизельных топливах. Проведены достаточно обширные экспериментальные исследования дизелей при работе на МЭРМ и его смесях с нефтяным ДТ [3, 4, 6-9]. Однако недостаточно изученным остается вопрос о влиянии состава смесевого биотоплива, содержащего ДТ и МЭРМ, на параметры процессов впрыскивания топлива и смесеобразования, а также на показатели дизеля. Известно, что определяющее влияние на показатели топливной экономичности и токсичности ОГ дизелей, работающих на биотопливах, оказывают параметры и характеристики процессов топливоподачи, впрыскивания и распыливания топлива [10-13]. Это обусловлено в первую очередь отличиями свойств растительных масел от аналогичных свойств нефтяного ДТ. Эти отличия сказываются на процессе смесеобразования следующим образом: - увеличивается средний диаметр капель топлива; - уменьшается угол раскрытия струи топлива β (в дизеле с полуразделенной камерой сгорания при работе на МЭРМ угол β уменьшается на 10% [4]); - увеличивается дальнобойность струй топлива; - возрастает доля пленочного смесеобразования (79% МЭРМ попадает на стенки камеры сгорания, тогда как при использовании ДТ - 59%[4]); - структура струи топлива в поперечном сечении становится более неравномерной. В связи с этим при организации смесеобразования в дизелях, работающих на растительных маслах и их производных, необходимо обеспечить согласование геометрических размеров струй распыливаемого топлива с формой камеры сгорания, а также улучшение качества распыливания. В данной работе эта проблема исследована расчетными методами. Биотоплива, предназначенные для использования в дизельных двигателях, должны за минимальный период сформировать в камере сгорания топливно-воздушную смесь, обеспечивающую легкое воспламенение, плавное и достаточно полное сгорание с минимальным содержанием сажи, токсичных и канцерогенных веществ в ОГ. При этом скорость формирования топливно-воздушной смеси предопределяется как тонкостью распыливания топлива, так и интенсивностью его испарения и диффузии в сжатый воздух. Для достижения требуемого качества процесса смесеобразования топливо должно обладать заданным фракционным составом, это один из важнейших показателей эксплуатационных свойств топлив для двигателей внутреннего сгорания. При расчетных исследованиях процессов впрыскивания и распыливания топлива в дизелях рассмотрены биодизельные топлива: МЭРМ и его смеси с нефтяным ДТ. МЭРМ отличается утяжеленным фракционным составом. Это подтверждается данными рис. 8, где представлены кривые фракционной разгонки бензина АИ-93, топлива широкого фракционного состава ШФС-1 и дизельного топлива марки «Л», а также метиловых эфиров свиного жира, рапсового и соевого масел [3]. Начало кипения метиловых эфиров соевого масла, рапсового масла и свиного жира происходит соответственно при температурах 323, 316 и 304 оС, а окончание кипения - при 356, 355 и 354 оС. Температуры перегонки 10% этих эфиров равны 340, 325 и 322 оС; температуры перегонки 50% - 346, 336 и 329 оС; температуры перегонки 90% - 354, 341 и 337 оС. Таким образом, диапазон температур выкипания этих эфиров (33-50 оС) оказался существенно меньше, чем у нефтяного ДТ по ГОСТу 305-82 (обычно 140-160 оС). Фракционным составом МЭРМ предопределен и фракционный состав его смесей с нефтяным ДТ. Так, например, полученные в МГАУ им. В.П. Горячкина кривые фракционной разгонки по ГОСТу 305-82 смесей МЭРМ с нефтяным ДТ марки «Л» существенно отличаются от аналогичных кривых для ДТ [3]. С увеличением количества МЭРМ в смеси с ДТ кривые фракционной разгонки этих смесей становятся более пологими, температуры выкипания 10, 50 и 90% смесей повышаются (рис. 9). Утяжеленный фракционный состав смесей ДТ и МЭРМ приводит к трансформации процессов впрыскивания топлива, его распыливания и смесеобразования. Поэтому необходимы исследования процессов впрыскивания и распыливания при использовании в качестве топлива смесей ДТ и МЭРМ различного состава. Ниже проведена оценка влияния состава таких смесей на их физико-химические свойства и показатели процессов впрыскивания и распыливания топлива. Как отмечено выше, чистый МЭРМ по своим физико-химическим свойствам несколько отличается от нефтяного ДТ для быстроходных дизелей. Но смеси МЭРМ с дизельным топливом марки «Л» по ГОСТу 305-82 имеют свойства, достаточно близкие к свойствам стандартного ДТ. Некоторые свойства смесей этих топлив различного состава приведены в табл. 1. Таблица 1 Физико-химические свойства исследуемых топлив Физико-химические свойства Топлива ДТ МЭРМ 95% ДТ + 5% МЭРМ 80% ДТ + 20% МЭРМ 60% ДТ + 40% МЭРМ 40% ДТ + 60% МЭРМ 20% ДТ + 80% МЭРМ Плотность при 50 оС, кг/м3 809 855 810 818 826 836 845 Кинематическая вязкость при 50 оС, мм2/с 2,45 4,63 2,42 2,74 3,07 3,51 4,11 Коэффициент поверхностного натяжения при 50 оС, мН/м 25,3 29 25,4 26 26,7 27,4 28,1 Низшая теплота сгорания, МДж/кг 42,5 37,8 42,2 41,9 41,5 40,5 39,6 Цетановое число 46,5 54 47 49 50 51,5 53 Температура самовоспламенения, оС 250 230 - - - - - Количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг вещества, кг 14,3 12,6 14,2 14 13,6 13,3 12,9 Содержание, % по массе - С - Н - О 87 12,6 0,4 77,6 12,2 10,2 86,5 12,6 0,9 85,1 12,5 2,4 83,2 12,4 4,4 81,4 12,3 6,3 79,5 12,2 8,24 Общее содержание серы, % по массе 0,2 0,002 0,19 0,16 0,12 0,08 0,02 Примечание: «-» - свойства не определялись; указано объемное содержание компонентов в смеси. В качестве объекта расчетных исследований выбран дизель типа Д-245.12С (4ЧН 11/12,5) производства Минского моторного завода. Этот двигатель предназначен для малотоннажных грузовых автомобилей ЗиЛ-5301 «Бычок», а его модификации - для автобусов Павловского автомобильного завода и тракторов «Беларус» Минского тракторного завода. В нем использована камера сгорания типа ЦНИДИ и организовано объемно-пленочное (пристеночное) смесеобразование с частичным попаданием топливного факела на горячие боковые стенки камеры сгорания, прилегающие к горловине (рис. 10). Некоторые параметры исследуемого дизеля приведены в табл. 2. Таблица 2 Параметры дизеля Д-245.12С (4ЧН 11/12,5) Параметры Значения Тип двигателя Четырехтактный, рядный, дизельный Число цилиндров 4 Диаметр цилиндра, мм 110 Ход поршня, мм 125 Рабочий объем цилиндра, л 1,08 Общий рабочий объем, л 4,32 Степень сжатия 16 Система турбонаддува Турбокомпрессор ТКР-6 Борисовского завода автоагрегатов Тип камеры сгорания, способ смесеобразования Камера сгорания типа ЦНИДИ, объемно-пленочное смесеобразование Номинальная частота вращения, мин-1 2400 Номинальная мощность, кВт 80 Механизм газораспределения Клапанного типа с верхним расположением клапанов Система охлаждения Водяная, принудительная Система смазки Принудительная, с разбрызгиванием Насос масляный Шестеренчатый Система питания Разделенного типа ТНВД Рядный типа PP4M10U1f фирмы Motorpal (Чехия) с всережимным центробежным регулятором Длина нагнетательных топливопроводов, мм 540 Дизель типа Д-245.12С был оснащен турбокомпрессором ТКР-6 Борисовского завода автоагрегатов, топливным насосом высокого давления (ТНВД) фирмы Motorpal модели PP4M10U1f с диаметром плунжеров dпл = 10 мм, их ходом hпл = 10 мм и форсунками ФДМ-22 АО «Куроаппаратура» (г. Вильнюс), отрегулированными на давление начала впрыскивания рфо = 21,5 МПа. В исследуемом дизеле форсунки с распылителями типа DOP 119S534 фирмы Motorpal установлены в головке цилиндров со смещением Dlф = 10 мм (см. рис. 10). Распылители выполнены с выходом распыливающих отверстий на конус седла иглы и диаметром иглы dи = 5 мм по направляющей. Некоторые параметры этих распылителей приведены в табл. 3, 4. При расчетных исследованиях задавался закон подачи, представленный в табл. 5, формируемый кулачками ТНВД модели PP4M10U1f на номинальном режиме работы дизеля типа Д-245.12С с частотой вращения коленчатого вала n=2400 мин-1 и цикловой подачей топлива qц = 80 мм3. Таблица 3 Параметры распылителей DOP 119S534 фирмы Motorpal Диаметр распыливающих отверстий dр , мм Число распыливающих отверстий iр Максимальный ход иглы hи , мм Суммарная эффективная площадь распылителя в сборе mр fр , мм2 0,34 5 0,3 0,25 Примечание: величины mр fр приведены при максимальном подъеме иглы форсунки; указаны средние значения hи и mр fр для комплекта распылителей. Таблица 4 Расположение распыливающих отверстий распылителей DOP 119S534 фирмы Motorpal № Угловое расположение относительно штифта, град. Угол наклона относительно оси распылителя, град. 1 8 63,5 2 90 72 3 172 63 4 237 52,5 5 303 53,5 Примечание: нумерация распыливающих отверстий проведена от штифта корпуса распылителя. Таблица 5 Закон подачи топлива дизеля Д-245.12С на режиме с частотой вращения n=2400 мин-1 и цикловой подачей qц = 80 мм3 Угол поворота вала φ, град. ПКВ Скорость впрыскивания, м3/с 1 2,2·10-5 2 5,6·10-5 3 7,6·10-5 4 8·10-5 5 8,4·10-5 6 8,6·10-5 7 8,5·10-5 8 8,4·10-5 9 9,5·10-5 10 9,4·10-5 11 9,2·10-5 12 8,8·10-5 13 8,2·10-5 14 6,4·10-5 15 4,4·10-5 16 0 При расчетных исследованиях процесса распыливания топлива в дизелях использована математическая модель, разработанная в МГАУ им. В.П. Горячкина проф. С.Н. Девяниным [11]. Эта модель развития струи базируется на законе сохранения импульса, учитывает действительный закон подачи топлива и отражает влияние следующих основных факторов: времени процесса t, плотности воздуха rв , диаметра распыливающего отверстия dр , давления впрыскивания pвпр . Кроме того, модель учитывает влияние свойств распыливаемого топлива на динамику развития струи и ее основные геометрические параметры. На базе этой математической модели создан программный комплекс «Струя», а также программа, написанная на языке Turbo Basic. При расчетах динамики развития струи в дизеле типа Д-245.12С на номинальном режиме работы при n=2400 мин-1 и qц = 80 мм3 с использованием программного комплекса «Струя» определена зависимость максимальной дальнобойности струи L, максимальной ширины В и угла раскрытия γ струи за период задержки воспламенения (ПЗВ) от объемного содержания МЭРМ в смеси с ДТ СМЭРМ. Указанные параметры определялись при впрыскивании топлива в среду с противодавлением, соответствующим текущему давлению газов в цилиндре. На графиках (рис. 11) приведены расчетные значения этих параметров на момент окончания топливоподачи. Кроме того, исследовано влияние ряда параметров на процесс распыливания топлива за общее время впрыскивания: общего количества капель топлива N, суммарной поверхности капель S, среднего диаметра капель по Заутеру dк.ср . Результаты этих исследований представлены на рис. 11. Следует отметить, что исследуемые параметры процессов впрыскивания и распыливания топлива оказались практически одинаковыми для ДТ и смесевого биотоплива с малым содержанием МЭРМ (СМЭРМ = 5%). При дальнейшем росте СМЭРМ все показатели процесса распыливания топлива ухудшаются. Лишь длина струи L за ПЗВ с ростом СМЭРМ сначала сокращается, достигает своего минимума при СМЭРМ = 20…25%, а затем монотонно увеличивается (см. рис. 11, а). Выводы 1. Проведенный анализ подтвердил преимущества использования в дизелях биотоплив, производимых на основе растительных масел, и необходимость их более широкого использования в отечественных дизельных двигателях автотракторного типа. 2. Подтверждена необходимость совершенствования процессов распыливания топлива и смесеобразования в дизелях, работающих на биотопливах, получаемых из растительных масел. 3. С использованием математической модели, разработанной проф. С.Н. Девяниным, проведены расчетные исследования динамики развития струй распыливаемого топлива в дизеле типа Д-245.12С, работающем на смесях нефтяного ДТ и МЭРМ различного состава. 4. Расчетные параметры процессов впрыскивания и распыливания топлива оказались практически одинаковыми для ДТ и смесевого биотоплива с малым содержанием МЭРМ (СМЭРМ = 5%). При дальнейшем росте СМЭРМ все показатели процесса распыливания топлива ухудшаются. Лишь длина струи L за ПЗВ с ростом СМЭРМ сначала сокращается, достигает своего минимума при СМЭРМ = 20…25%, а затем монотонно увеличивается. 5. Приведенные данные расчетных исследований подтверждают возможность использования в дизелях биотоплив, получаемых из растительных масел. Наибольшее приближение к свойствам нефтяных ДТ обеспечивает применение смесей нефтяного ДТ и МЭРМ с небольшим содержанием последнего. При этом удается получить показатели процессов впрыскивания и распыливания топлива, достаточно близкие к аналогичным показателям дизеля, работающего на чистом ДТ.

About the authors

V. A Markov

N.E. Bauman Moscow State Technical University

Email: markov@power.bmstu.ru

V. S Akimov

N.E. Bauman Moscow State Technical University

V. A Shumovskiy

N.E. Bauman Moscow State Technical University

V. V Markova

N.E. Bauman Moscow State Technical University

References

Supplementary files