Investigation of indicators of combustion process in tractor diesel engine with the use of natural gas and recirculation, methanol and ethanol fuel emulsions

Full Text

Массовое внедрение альтернативных видов топлива неизбежно, так как определяется объективной причиной ограниченности мировых запасов нефти и возрастающими экологическими требованиями. По оценке многих специалистов, перспективным для тракторных дизелей в ближайшем будущем может стать газообразное топливо, особенно природный и попутный нефтяной газы, а также спиртовое топливо, в основном этанол и метанол. В работе представлены результаты экспериментальных исследований показателей процесса сгорания в тракторном дизеле 4Ч 11,0/12,5 при применении КПГ (20% - запальная порция дизельного топлива (ДТ), 80% - КПГ), рециркуляции отработавших газов (РОГ), метаноло-топливной эмульсии (МТЭ) и этаноло-топливной эмульсии (ЭТЭ). Исследования проводились с целью определения и оптимизации основных параметров процесса сгорания при работе дизеля на ДТ, КПГ с РОГ, МТЭ и ЭТЭ [1, 2]. В результате проведенных исследований физико-химических свойств и стабильности ЭТЭ и МТЭ и первичных испытаний на двигателе в качестве оптимальных для дизеля 4Ч 11,0/12,5 приняты эмульсии следующего состава: спирт (метанол или этанол) - 25%, моюще-диспергирующая присадка сукцинимид С-5А - 0,5%, вода - 7%, ДТ - 67,5%. Регулировочные характеристики в зависимости от изменения установочного угла Θвпр опережения впрыскивания топлива (УОВТ) дизеля 4Ч 11,0/12,5 при частоте вращения коленчатого вала n = 2200 мин-1 (номинальный скоростной режим) для показателей процесса сгорания представлены на рис. 1 [3, 4]. Анализируя графики изменения показателей процесса сгорания при работе на КПГ, можно отметить, что с увеличением установочного УОВТ возрастают максимальная осредненная температура газов в цилиндре дизеля Tmax, максимальное давление сгорания pz , степень повышения давления λ, жесткость процесса сгорания (dp/dj)max и уменьшается значение угла φi , соответствующего периоду задержки воспламенения (ПЗВ). Применение на газодизеле РОГ не изменяет характер протекания кривых относительно установочного УОВТ и приводит к снижению Tmax, pz , λ, (dp/dj)max и увеличению φi [5, 6]. Так, при работе по газодизельному процессу с РОГ снижается максимальное давление газов в цилиндре двигателя. При Θвпр = 26° при работе с РОГ 10% оно составляет 9,4 МПа, что на 4,9% ниже, чем при чисто газодизельном процессе, и на 8,2% выше, чем при дизельном. Снижается жесткость процесса сгорания и при Θвпр = 26° составляет 0,95 МПа/град. Незначительно увеличивается угол, соответствующий ПЗВ. При Θвпр = 23° максимальное давление в цилиндре дизеля при газодизельном процессе составляет 8,5 МПа, а при газодизельном процессе с РОГ 10% - 8,1 МПа, что на 3,5% ниже, чем при чисто газодизельном процессе, и всего на 1,2% отличается от дизельного. Жесткость процесса сгорания при Θвпр = 23° при газодизельном процессе с РОГ 10% составляет 0,6 МПа/град., что на 15,5% ниже, чем при чисто газодизельном процессе, и на 36,8% ниже, чем при работе с РОГ 10% при Θвпр = 26°. Уменьшение показателей процесса сгорания при работе на КПГ с РОГ на всех исследуемых углах Θвпр объясняется в первую очередь ограниченностью коэффициента избытка воздуха, что приводит к увеличению угла φi, соответствующего ПЗВ. Процесс сгорания протекает за меньший период времени и менее интенсивно, что может препятствовать окислению азота метановоздушной смеси в условиях недостатка кислорода, замедлять процесс образования оксидов азота в цилиндре, и соответственно, снижать содержание оксидов азота в ОГ дизеля [7, 8]. Сравнивая графики работы дизеля 4Ч 11,0/12,5 на МТЭ и ДТ, можно отметить, что значения показателей процесса сгорания увеличиваются при работе на МТЭ. Так, при установочном УОВТ Θвпр = 20º при переходе с ДТ на МТЭ наблюдаются повышение Tmax на 14,7%, (dp/dj)max на 47,3%, λ на 21,7%, φi на 34,3% и снижение pz на 9,3%. При Θвпр = 23º при переходе с ДТ на МТЭ наблюдаются повышение Tmax на 9,9%, pz на 4,7%, (dp/dj)max в 2,1 раза, λ на 15,9%, φi на 25%. При Θвпр = 26º при переходе с ДТ на МТЭ наблюдаются повышение Tmax на 6,9%, pz на 3,3%, (dp/dj)max в 2 раза, λ на 6,4%, φi на 22%. При Θвпр = 29º при переходе с ДТ на МТЭ наблюдаются повышение Tmax на 5,6%, (dp/dj)max на 44,5%, λ на 0,5%, φi на 17,2%, а pz соответствует дизельному процессу. Сравнивая работу дизеля 4Ч 11,0/12,5 на ЭТЭ и ДТ, можно отметить, что значения показателей процесса сгорания при работе на ЭТЭ так же, как и на МТЭ, увеличиваются. Так, при Θвпр = 20º при переходе с ДТ на ЭТЭ наблюдаются повышение Tmax на 16,5%, pz на 8,5%, (dp/dj)max на 35,6%, λ на 18,9%, φi на 24,1%. При Θвпр = 23º при переходе с ДТ на ЭТЭ наблюдаются повышение Tmax на 12,8%, pz на 9%, (dp/dj)max на 41,6%, λ на 16,3%, φi на 19,6%. При Θвпр = 26º при переходе с ДТ на ЭТЭ наблюдаются повышение Tmax на 11,6%, pz на 10,3%, (dp/dj)max на 39,4%, λ на 12,3%, φi на 17,9%. При Θвпр = 29º при переходе с ДТ на ЭТЭ наблюдаются повышение Tmax на 10,3%, pz на 9%, (dp/dj)max на 35,5%, λ на 9,2%, φi на 14,3%. Для сравнения с дизельным процессом исследования проводились на каждом скоростном режиме при двух УОВТ: 23 и 26º до верхней мертвой точки. Зависимости показателей процесса сгорания в дизеле 4Ч 11,0/12,5 при Θвпр = 23º и номинальной частоте вращения коленчатого вала n = 2200 мин-1 от изменения нагрузки представлены на рис. 2. Анализируя кривые, полученные при работе на КПГ, можно отметить, что кривые максимальной осредненной температуры газов в цилиндре Tmax, максимального давления pz, степени повышения давления λ и жесткости процесса сгорания (dp/dj)max при работе по газодизельному процессу с РОГ лежат ниже кривых чисто газодизельного процесса во всем диапазоне изменения нагрузок и уменьшаются с увеличением степени РОГ. Так, при работе по газодизельному процессу с РОГ 40% при Θвпр = 23° в диапазоне изменения нагрузок от 0,13 до 0,51 МПа происходит снижение по сравнению с газодизельным процессом Tmax на 100-400 К, pz на 7,9-19,2% и (dp/dj)max на 40,4-34,5%. При работе по газодизельному процессу с РОГ 10% на номинальной нагрузке происходит снижение по сравнению с газодизельным процессом Tmax на 150 К, pz на 3,5% и (dp/dj)max на 15,5%; при работе с РОГ 20% - снижение Tmax на 300 К, pz на 9,4% и (dp/dj)max на 18,8%. Угол φi, соответствующий ПЗВ, при газодизельном процессе с РОГ выше, чем при чисто газодизельном, на всех нагрузочных режимах и увеличивается с увеличением степени РОГ. Рассмотрение показателей процесса сгорания дизеля при работе на эмульсиях выявило, что повышаются максимальная осредненная температура, максимальное давление сгорания, жесткость процесса сгорания, степень повышения давления и угол, соответствующий ПЗВ [9, 10]. Зависимости показателей процесса сгорания в дизеле 4Ч 11,0/12,5 при установочном УОВТ Θвпр = 23º, оптимальном для КПГ, КПГ с РОГ, МТЭ и ЭТЭ, от изменения частоты вращения коленчатого вала без регуляторной ветви представлены на рис. 3. Из графиков видно, что характер изменения всех показателей при работе на КПГ с РОГ, МТЭ и ЭТЭ в зависимости от частоты вращения коленчатого вала повторяет характер изменения по дизельному процессу. На номинальном режиме работы дизеля 4Ч 11,0/12,5 (pе = 0,64 МПа, n=2200 мин-1) и установочном УОВТ Θвпр = 23º применение КПГ и РОГ, МТЭ и ЭТЭ приводит к значениям показателей процесса сгорания, представленным в таблице. Показатели процесса сгорания в дизеле 4Ч 11,0/12,5 при установочном УОВТ Θвпр = 23º на номинальном режиме (pе = 0,64 МПа, n=2200 мин-1) Дизель 4Ч 11,0/12,5 Тmax, K pz, МПа λ (dp/dφ)max, МПа/град. φi, град. Дизельный процесс 2190 8,1 1,9 0,59 22,5 Применение КПГ 3010 (увеличение на 27,2%) 8,5 (увеличение на 4,7%) 2 (увеличение на 5%) 0,69 (увеличение на 14,5%) 30 (увеличение на 25%) Применение КПГ и РОГ 10% 2790 (увеличение на 21,5%) 8,1 (соответствует ДТ) 1,9 (соответствует ДТ) 0,6 (увеличение на 1,7%) 31 (увеличение на 27,4%) Применение МТЭ 2430 (увеличение на 9,9%) 8,5 (увеличение на 4,7%) 2,26 (увеличение на 15,9%) 1,25 (увеличение в 2,1 раза) 30 (увеличение на 25%) Применение ЭТЭ 2510 (увеличение на 12,8%) 8,9 (увеличение на 9%) 2,27 (увеличение на 16,3%) 1,01 (увеличение на 41,6%) 28 (увеличение на 19,6%) Таким образом, по результатам анализа показателей процесса сгорания можно отметить, что применение КПГ с РОГ, МТЭ и ЭТЭ на дизеле 4Ч 11,0/12,5 обеспечивает надежную работу и стабильность процесса сгорания, что доказывает эффективность применения указанных топлив не только для снижения токсичности ОГ, но и для улучшения показателей рабочего процесса дизеля [11].

About the authors

V. A Likhanov

Vyatka State Agricultural Academy

O. P Lopatin

Vyatka State Agricultural Academy

Email: nirs_vsaa@mail.ru

References

Supplementary files