Identification of maximal cyclic pressure with the non-motorized method based on specific refraction

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Контроль и управление процессами нефтепереработки и нефтехимии тесно связаны с решением целого ряда аналитических задач. Во многих случаях не требуется детальной информации об индивидуальных химических компонентах сырья или продукции, а достаточными оказываются сведения лишь о групповом углеводородном составе исследуемых нефтепродуктов. Основные групповые компоненты светлых нефтепродуктов представлены ароматическими углеводородами, алканами, нафтенами и непредельными соединениями. Известные и зарекомендовавшие себя физические и химико-аналитические методы определения группового состава не являются экспрессными, что оставляет широкое поле для поиска новых физических принципов, на которых могли бы основываться системы автоматического регулирования и контроля нефтехимических процессов [1]. Метод магнитного двулучепреломления является хорошей основой для разработки эффективных экспресс-анализаторов нефтепродуктов, позволяющих через корреляционные соотношения прогнозировать целый комплекс эксплуатационных и потребительских свойств топлив, включающий октановые числа и содержание ароматических углеводородов в бензинах, максимальную высоту не коптящего пламени керосинов и реактивных топлив, нагарный фактор, фактор дымности, люминометрическое число, низшую теплоту сгорания и коэффициент теплопроводности, цетановые числа дизельных топлив и содержание в них полициклических ароматических соединений. Вопросы контроля протекания любых технологических процессов (органический и нефтехимический синтез, процессы компаундирования топлив, разработка и производство композиционных составов (растворителей), используемых в процессах нефтедобычи и нефтеподготовки, производство средств бытовой химии и т.д.) также связаны с необходимостью контроля изменения и определения состава или концентраций исходных и образующихся в реакционной смеси веществ, с необходимостью определения соответствия состава смеси, получаемой простым смешиванием компонентов, установленным нормативам. В настоящее время арсенал физических методов определения состава смесей исчисляется десятками, если не сотнями. Во многих случаях, если исходные компоненты сохраняют относительное постоянство своих физико-химических свойств, определение состава смеси может быть проведено достаточно простыми классическими методами рефрактометрии, магнитооптики, денсиметрии, межфазной тензиометрии или их сочетанием (комплексированием). Российские учёные постоянно занимаются вопросами оценки работы двигателя нестандартными методами, как их принято называть «экспресс-методами» [2, 3].

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

Цель работы — идентификация максимального давления цикла при работе дизеля безмоторным методом на основе значений удельной рефракции для каждого вида биотоплива.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

• определить максимальное давление цикла при работе дизеля на различных составах биотоплива при добавке этанола, рапсового и сурепного масел;
• рассчитать удельную рефракцию для различных составов биотоплива при добавке этанола, рапсового и сурепного масел;
• вывести зависимости между максимальным давлением цикла и удельной рефракцией.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом исследований является четырёхтактный двигатель с турбонаддувом и промежуточным охлаждением наддувочного воздуха Д-245.5S2, используемый на различных энергоустановках. В эксплуатационных условиях двигатели внутреннего сгорания, в зависимости от условий работы потребителя энергии, должны работать при различных частотах вращения коленчатого вала (КВ) и крутящих моментах, т.е. на различных режимах по той или иной характеристике. На данном этапе исследовались параметры рабочего процесса дизеля при помощи процесса индицирования при работе на биотопливе, в частности, на этаноло-топливной эмульсии (ЭТЭ). Для получения данных рабочего процесса путем индицирования использовались датчик динамического давления PS-01 с пьезокварцевым чувствительным элементом и датчик индуктивного типа — отметчик положения поршня в цилиндре двигателя в положении ВМТ. Датчик PS-01 устанавливался в камеру сгорания с применением дополнительной системы охлаждения. В экспериментальном исследовании использовался нагрузочный электротормозной стенд RAPIDO SAK N670 с балансирной маятниковой машиной.

Для исследования были подготовлены смеси ДТ с этанолом, рапсовым и сурепным маслом. Массовая доля масел и этанола в смеси варьировалась от 0% до 50%. Для каждого образца измерялась плотность d и показатель преломления . Измерения проводились при температуре окружающей среды 20°С. Показатель преломления образцов измерялся с помощью рефрактометра ИРФ–454б. Плотность определялась с помощью пикнометра ПЖ-2-25 и лабораторных весов VIBRAAJH-620CE по ГОСТ 3900-85 “Нефть и нефтепродукты. Методы определения плотности”.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 представлены совмещённые индикаторные диаграммы дизеля 4ЧН 11,0/12,5 при работе на чистом ДТ и ЭТЭ с содержанием 20% и 40% этанола в смеси. Анализ полученных результатов показывает, что увеличение количества этанола в эмульсии ведёт к росту угла ϕ_i, соответствующего периоду задержки воспламенения, момент воспламенения сдвигается в сторону ВМТ [4]. Так, при частоте вращения 1800 мин^-1 и работе на чистом ДТ, угол, соответствующий моменту отрыва линии нарастания давления, равен ϕ_д = 20,5° до ВМТ, а при содержании этанола в эмульсии 20% и 40% он равен, соответственно, ϕ_э20 = 17,3° и ϕ_э40 = 16,9° до ВМТ.

 

Рис. 1. Индикаторные диаграммы дизеля 4ЧН 11,0/12,5 при n = 1800 мин^-1.

Fig. 1. The 4ChN 11.0/12.5 diesel engine indicator diagram at n = 1800 min^-1.

 

Как видно из графика максимальные давления цикла Р_z для ЭТЭ с содержанием этанола 20% и 40%, соответственно, равны 10,816 МПа и 11,137 МПа. Значения Р_z для остальных составов топлив при проведении индицирования представлены в таблице 1.

 

Таблица 1. Значения максимального давления цикла Р_z и значения удельной рефракции sR составов топлива

Table 1. Values of the maximum cycle pressure Р_z and values of specific refraction sR of fuel mixtures

№ п/п	Состав топлива	Удельная рефракция sR (этанол) при t=20°C, см3/г	Значение Рz, МПа	Удельная рефракция sR (рапсовое масло) при t=20°C, см3/г	Значение Рz, МПа	Удельная рефракция sR (сурепное масло) при t=20°C, см3/г	Значение Рz, МПа
1	90%ДТ+10%ЭТ	0,3323	10,641
2	90%ДТ+10%РМ			0,3299	10,433
3	90%ДТ+10% Сурепное					0,4359	10,453
4	80%ДТ+20%ЭТ	0,3321	10,816
5	80%ДТ+20%РМ			0,3270	10,366
6	80%ДТ+20% Сурепное					0,4315	10,390
7	70%ДТ+30%ЭТ	0,3319	10,984
8	70%ДТ+30%РМ			0,3240	10,178
9	70%ДТ+30% Сурепное					0,4297	10,201
10	60%ДТ+40%ЭТ	0,3334	11,137
11	60%ДТ+40%РМ			0,3212	10,020
12	60%ДТ+40% Сурепное					0,4263	10,041
13	50%ДТ+50%ЭТ	0,3329	11,214
14	50%ДТ+50%РМ			0,3188	9,874
15	50%ДТ+50% Сурепное					0,4227	9,915

 

Следующим этапом предстояло выяснить удельную рефракцию, но перед этим нужно было измерить плотность каждого состава [5, 6]. Расчёт производился по формуле:

$d=\frac{m_{\text{пс}}-m_{\text{пп}}}{m_{\text{пd}}-m_{\text{пп}}}\cdot \mathrm{0,99703}$, (1)

где m_ПС — масса пикнометра со смесью; m_ПП — масса пустого пикнометра; m_Пd — масса пикнометра с дистиллированной водой; 0,99703 — значение относительной плотности воды при 20°С с учетом плотности воздуха.

Так как показатель преломления и плотность зависят от температуры и давления, при которых проводится измерение, то для экспресс-методов оценки эксплуатационных свойств предпочтительно использовать не сами эти величины, а их функцию — удельную рефракцию Лорентца-Лоренца sR, которая практически не зависит от внешних условий: температуры окружающей среды и давления [7].

$sR=\frac{n^2-1}{n^2+2}\cdot \frac{1}{d}$. (2)

В ходе проведения анализа научной литературы [8, 9] было выявлено, что связь удельной рефракции и максимального давления цикла нигде чётко не описана. Существенным отличием предлагаемого способа от всех, ранее известных решений, является возможность идентификации показателей процесса сгорания топлива при работе дизеля, а именно максимального давления цикла Р_z через значение удельной рефракции sR состава топлива (табл. 1).

Анализ исходных данных (табл. 1 и рис. 2) показал, что имеет место сильная корреляционная связь между удельной рефракцией sR и максимальным давлением в цилиндре Р_z (МПа). Отсутствие теоретической модели, которая позволила бы установить функциональный вид зависимости давления от показателя преломления, вынуждает пользоваться моделью линейной регрессии:

1. Для состава альтернативного топлива с добавлением сурепного масла зависимость примет вид:

$P_z=10.628-0.01425C$,

где С — концентрация (%) сурепного масла в составе топлива.

2. Для состава альтернативного топлива с добавлением рапсового масла зависимость примет вид:

$P_z=10.613-0.01464C$,

где С — концентрация (%) рапсового масла в составе топлива.

3. Для состава альтернативного топлива с добавлением этанола зависимость примет вид:

$P_z=-1.507\cdot {10}^{-4}C+0.0237C+10.413$;

где С — концентрация (%) этанола в составе топлива.

 

Рис. 2. Графические зависимости удельной рефракции и максимального давления цикла на составах топлив с различным содержанием этанола, рапсового и сурепного масел.

Fig. 2. Graphs of specific refraction and maximal cyclic pressure in dependence on content of ethanol, rapeseed oil and surep oil in fuel mixtures.

 

Известно, что удельная и молярная рефракции не зависят от внешних условий: температуры, давления, агрегатного состояния вещества. Однако, они находятся в зависимости от состава топлива, наличия органических веществ, содержащих углерод и водород, то есть от природы происхождения топлива и числа атомов в молекуле [10]. Органическая часть жидких топлив состоит из большого количества сложных химических соединений, образованных пятью химическими элементами: углерод (С), водород (Н), сера (S), кислород (О) и азот (N). Теплота, выделяющаяся вследствие термохимического окисления топлива, идет на повышение внутренней энергии рабочего тела и на совершение механической работы. А это, в свою очередь, влияет на скорость окисления топлива и тепловыделения а, значит, величину максимального давления газов в цилиндре, что позволяет использовать значение sR при нахождении P_z. Влияние свойств топлива на процесс сгорания в цилиндре дизеля следует рассматривать в связи с зависимостью характеристик топлива. Применение в дизеле топлив облегченного фракционного состава ведет к увеличению периода задержки воспламенения и скорости тепловыделения в фазе быстрого сгорания. При этом возрастают максимальное давление цикла и скорость его нарастания [11].

Применение предложенных зависимостей позволяет с достаточной точностью идентифицировать максимальное давление цикла при работе дизеля безмоторным способом.

Технико-экономическое обоснование предлагаемого способа заключается в возможности идентификации значения максимального давления цикла при работе дизельных двигателей на различных составах альтернативного топлива безмоторным способом, что, в свою очередь, приводит к снижению затрат на испытания.

ВЫВОДЫ

1. Идентификация максимального давления цикла при работе дизеля на различных составах топлива вполне возможна посредством значения удельной рефракции этого же топлива.
2. Максимальное давление цикла при работе дизеля на ЭТЭ с содержанием этанола в смеси от 10% до 50% соответственно равно 10,641 МПа, 10,816 МПа, 10,984 МПа, 11,137 МПа и 11,214 МПа.
3. Расчёт удельной рефракции показал, что для состава топлива 80%ДТ+20%РМ значение равно sR = 0,3270 см³/г, а для состава с сурепным маслом до 50% будет равно sR = 0,4227 см³/г.
4. Дальнейшей задачей исследований может являться выявление зависимости удельной рефракции с показателями выбросов токсичных компонентов в отработавших газах.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Вклад авторов. С.А. Плотников — общее руководство, формулировка идеи, структурирование текста, утверждение финальной версии; П.В. Гневашев — редактирование материалов экспериментальных исследований; М.В. Смольников — написание текста рукописи; Г.П. Шишкин — теоретическая разработка материалов рукописи. Авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contribution. S.A. Plotnikov — general guidance, formulation of the idea, structuring of the text, approval of the final version; P.V. Gnevashev — editing of experimental research materials; M.V. Smolnikov — writing the text of the manuscript; G.P. Shishkin — theoretical development of manuscript materials. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

About the authors

Sergey A. Plotnikov

Vyatka State University

Author for correspondence.
Email: PlotnikovSA@bk.ru
ORCID iD: 0000-0002-8887-4591
SPIN-code: 4899-9362

Dr. Sci. (Tech.), Professor of the Technology of Mechanical Engineering Department

Russian Federation, Kirov

Pavel V. Gnevashev

Vyatka State University

Email: GnevashevPV@inbox.ru
ORCID iD: 0009-0008-1131-9195
SPIN-code: 6103-3921

Russian Federation, Kirov

Mikhail V. Smolnikov

Vyatka State University

Email: mihail.mai@mail.ru
ORCID iD: 0009-0006-8911-446X
SPIN-code: 5580-1330

Cand. Sci. (Tech.), Senior Lecturer of the Technology of Mechanical Engineering Department

Russian Federation, Kirov

Gennady P. Shishkin

Kirov State Medical University

Email: shgp45@mail.ru
ORCID iD: 0009-0004-6591-8653
SPIN-code: 3764-5790

Associate Professor, Cand. Sci. (Ped.), Head of the of Physics and Medical Informatics Department

Russian Federation, Kirov

References

Supplementary files