Investigation of the environmental characteristics of a diesel engine when operating on activated fuel

Full Text

Введение Быстрый рост тракторного и автомобильного парков в России и во всем мире неблагоприятно сказывается на экологических показателях окружающей среды. Остро стоит проблема снижения токсичности двигателей при эксплуатации (рис. 1). В настоящее время данная проблема решается: · усовершенствованием конструкции двигателя; · совершенствованием рабочего процесса существующих поршневых ДВС; · разработкой и установкой на двигатель дополнительных устройств, которые очищают отработавшие газы от токсичных компонентов; · повышением требований к качеству регулировки топливоподающей аппаратуры, а также систем смесеобразования и сгорания, применением различных топлив, отработавшие газы которых обладают меньшей токсичностью. При работе двигателя существенное значение имеют полноценные процессы топливоподачи, смесеобразования, воспламенения и сгорания ДТ в цилиндре. Процессы смесеобразования и сгорания зависят от физических и химических свойств применяемого дизельного топлива (ДТ). Рис. 1. Полевые работы Fig. 1. Field work На основе экспериментальных исследований и полученных данных предложен ряд способов воздействия на топливо, которые изменяют их физические и химические свойства. На сегодняшний день используют физический и химический способы воздействия. При физическом способе результат достигается в применении магнитного (электромагнитного), радиационного, ультрафиолетового, температурного и других видов воздействия на топливо. При данных типах воздействия происходит изменение физико-механических свойств топлива. Химический способ основан на действии различных присадок и химических веществ на ДТ [1, 2]. В последнее время увеличилось число работ по совершенствованию процесса смесеобразования в дизельных двигателях с непосредственным впрыском топлива. Одним из эффективных и перспективных способов воздействия на ДТ является локальная передача ему определенного количества тепла в самой системе топливоподачи перед форсунками [3-7]. При таких условиях необходимо обеспечить устойчивый впрыск топлива форсункой и полноценное сгорание топлива на всех скоростных и нагрузочных режимах двигателя. Процесс сгорания является сложным и многостадийным процессом, при котором происходит последовательность реакций с образованием промежуточных соединений, активных радикалов и продуктов сгорания. Процесс сгорания характеризуется скоростью химических реакций(которые зависит от концентрации реагирующих компонентов в зоне окисления, выделяющейся теплоты, температуры и давления в цилиндре) и скоростью образования топливовоздушной смеси (скорость диффузии углеводородного топлива в зону сгорания и продуктов сгорания из этой области). Скорость образования топливовоздушной смеси превышает скорость химических реакций топлива. Изменением условий смесеобразования можно воздействовать на протекание процесса сгорания. Процесс сгорания можно интенсифицировать, уменьшив время на смесеобразованиеза счет увеличения скорости испарения мелкодисперсного и подогретого ДТ. При подаче высокоактивированного топлива форсункой в камеру сгорания струя распыливается на более мелкие фракции и взаимодействует с вихреобразными потоками воздуха. В результате мелкодисперсного распыления увеличивается общая площадь поверхностей всех капель, пары топлива интенсивно диффундируют в окружающий воздух. Перемешивание топлива и поступающего воздуха становиться интенсивнее и достигается более полная однородность смеси [8, 9]. При этом струя топлива расширяется в направлении движения. Угол распыления становится больше. С увеличением скорости испарения время полного испарения определяется по формуле: . (1) Из выражения видно, что время полного испарения прямо пропорционально квадрату начального диаметра капли при мелкодисперсном распыливании, обратно пропорционально коэффициенту диффузии, который возрастает при увеличении температуры и обратно пропорционально упругости паров топлива, которая увеличивается при температуре испарения [8]. Топливовоздушная смесь быстро нагревается и воспламеняется, уменьшается время на прогрев топлива до температуры самовоспламенения. За счет улучшения условий смесеобразования процесс сгорания будет происходить интенсивнее, с меньшими значениями скорости нарастания давления. Мелкодисперсное распыление позволяет улучшить некоторые экологические показатели, так как создаются благоприятные условия для более полного сгорания топлива в цилиндре двигателя. Цель и задачи Цель исследований - экспериментальное определение экологических показателей дизельного двигателя Д-245.5S2 при его работе на высокоактивированном топливе. Для достижения цели необходимо решить следующие задачи: · исследовать влияние активированного топлива на работоспособность форсунки; · исследовать влияние и установить зависимость экологических показателей работы дизеля 4ЧН 11,0/12,5 на активированном топливе. Методы исследования Для достижения выше поставленной цели были определены основные направления. Испытания проводились в несколько этапов. На первом этапе исследовалась работа топливной форсунки ФД-22.455.1112010-50 закрытого типа с гидравлическим управлением подъема иглы на активированном топливе. Испытания проводились в лабораторных условиях на стенде М107-CR, предназначенном для испытания и регулировки форсунок автотракторных дизельных двигателей по основным параметрам согласно ГОСТ 10579-2017 [10] в диапазоне температур от 50°C до 300°C. Измерения производились по стрелочному манометру (диапазон воспроизводимого давления от 0 до 40 МПа). Дизельное топливо соответствовало ГОСТ 305-2013 [11], а вязкость топлива техническим условиям на форсунки. Температура окружающей среды соответствовала ГОСТ 10579-2017. В качестве нагревательного элемента использовался провод с высоким электрическим сопротивлением диаметром 0,4-0,5 мм. Температурный диапазон регулировался при помощи регулятора напряжения. Результаты исследований топливной форсунки (табл. 1) при работе на высокоактивированном топливе позволяют сделать вывод, о ее работоспособности и соответствии техническим требованиям ГОСТ 10479-2017. а) б) Рис. 2. Общий вид: а) нагрузочного стенда; б) подогревателей на дизеле Fig. 2. General view: a) load test bench; b) diesel heaters На втором этапе производилось экспериментальное определение регулировочных показателей дизельного двигателя Д-245.5S2 при его работе на высокотемпературном ДТ. В состав экспериментальной установки входил двигатель Д-245.5S2, электротормозной стенд RAPIDO SAK N670 с балансирной маятниковой машиной, комплект измерительных приборов и система вывода данных на монитор компьютера (рис. 2). Далее исследовались параметры рабочего процесса, эффективные и токсические показатели дизеля на высокотемпературном ДТ на основных режимах его работы. Применялся комплект измерительных приборов по определению компонентов в ОГ и система вывода данных на монитор компьютера. Испытания проводились на ДТ без подогрева и с подогревом до 300 °С. Установочный угол опережения впрыскивания топлива (θвпр) при максимальном значении эффективного КПД соответствовал 22 градусам поворота коленчатого вала до в.м.т. [12]. Результаты и обсуждение Использование активированного топлива влияет на работу топливоподающей аппаратуры (ТПА). При эксплуатации двигателя необходимо соответствие работы штатной ТПА требованиям ТУ завода-изготовителя, а форсунка должна удовлетворять основным параметрам ГОСТ. Результаты представлены в таблице 1. Таблица 1 Результаты испытания форсунки ФД-22.455.1112010-50 Table 1. Test results of the injector FD-22.455.1112010-50 № п/п Основные параметры в соответствии с ГОСТ Среднее значение повторности опытов 50 оС 100 оС 150 оС 200 оС 250 оС 300 оС 1 Давление начала впрыскивания, МПа 21,08 20,92 20,75 20,66 20,62 20,59 2 Подвижность иглы распылителя да да да да да да 3 Качество распыливания да да да да да да 4 Герметичность по запирающему конусу, сек 104,0 92,0 71,00 47,33 28,00 16,67 5 Герметичность уплотнений да да да да да Да 6 Гидроплотность распылителей, сек 11,33 9,33 8,00 6,33 5,67 5,33 7 Отклонение струй топлива от заданных направлений не выявлено не выявлено не выявлено не выявлено не выявлено не выявлено Анализ и расчетные значения топливного факела (табл.2) при нагреве характеризуются увеличением угла распыливания, изменением физико-механических свойств ДТ, уменьшением длины топливной струи и объемно-поверхностного диаметра капель топлива. Таблица 2 Характеристики топливного факела в зависимости от температуры активации ДТ Table 2. Characteristics of the fuel flame depending on the activation temperature of the diesel fuel № п/п Показатели ДТ без подогрева ДТ (t1 = 150°C) ДТ (t2 = 300°C) 1 Число Вебера, We 158022 280847 1782×103 2 Средний диаметр капель ДТ при впрыске по Заутеру, d32, мкм 26,31 19,42 4,52 3 Угол топливного факела, 13,24 0,1912 0,621 4 Угол топливного факела, Θ, град. 14°49' 20°55' 51°9' 5 Длина топливной струи, s, м 0,0265 0,0221 0,015 6 Скорость впрыскивания топлива, ʋ, м/с 144,81 155,88 219,48 7 Длина топливной струи, s, м (за 1 градус п.к.в.) 0,0066 0,0071 0,009 Происходит интенсивная деструкция топливного факела, улучшаются условия смесеобразования, повышается однородность топливовоздушной смеси (при тепловом воздействии изменяется коэффициент поверхностного натяжения и кинематическая вязкость топлива) [13]. Испытания двигателя проводились для оценки его основных показателей при работе двигателя на активированном топливе. Оценка влияния активированного топлива на эффективные и экологические показатели проводилась на основе анализа нагрузочных характеристик двигателя при n = 1800 мин-1, n = 1400 мин-1 и оптимальном значении угла опережения впрыскивания топлива Θвпр = 22º до в.м.т. ГОСТ 17.2.2.02-98 устанавливает нормы и методы определения дымности отработавших газов. Дымность определяют при положении органов управления регулятором частоты вращения коленчатого вала дизеля, соответствующем полной подаче топлива при номинальной частоте вращения коленчатого вала и частоте вращения коленчатого вала, соответствующей режиму максимального крутящего момента дизеля [14, 15]. Из графиков экологических показателей (рис. 3) видно, что содержание сажи (C) в отработавших газах при работе на ДТ с подогревом увеличивается при увеличении среднего эффективного давления (характер подъема линии графика). Можно предположить, что при мелкодисперсном распылении топлива в ядре струи образуются зоны горения обогащенных участков смеси с локальным повышением температуры и недостатком кислорода. При таких условиях на малых нагрузках может происходить пиролиз топлива с образованием углерода и оксида углерода. При нагрузке, равной 0,9 МПа, значение выбросов углерода составляет 10% и 10,6% при работе дизеля с подогревом топлива 100°С и 300°С., соответственно. а) б) Рис. 3. Показатели уровня сажи в ОГ при частоте вращения коленчатого вала: а) n = 1800 мин-1 и б) n = 1400 мин-1 Fig. 3. Soot level indicators in the exhaust gas at the frequency of the crankshaft rotation: a) n = 1800 min-1 and b) n = 1400 min-1 Увеличение содержания концентрации монооксида углерода (рис. 4) наблюдается в сторону увеличения среднего эффективного давления (подъем линии графика), а в целом концентрация СO незначительно увеличивается и составляет 0,04%, 0,04% и 0,05% для ДТ без подогрева, при работе дизельного двигателя с подогревом топлива 100ºС и 300ºС, соответственно. Предполагается, что образование монооксида углерода происходит в условиях недостатка кислорода в зоне распылителей форсунки, а также в ходе холоднопламенных реакций [1]. Из графиков экологических показателей (рис. 5) видно, что содержание оксидов азота (NOx) в ОГ при работе, как на ДТ без подогрева, так и при работе дизеля с подогревом топлива 100°С и 300°С повышается при увеличении среднего эффективного давления. Однако, при работе дизеля численные значения оксида азота уменьшаются и составляют 952 ppm и 948 ppm с подогревом топлива 100°С и 300°С, соответственно (при частоте вращения коленчатого вала n = 1800 мин -1). Можно предположить, что, за счет интенсификации процесса смесеобразования, не происходит резкого повышения температуры в цилиндре двигателя. а) б) Рис. 4. Показатели уровня CO в ОГ при частоте вращения коленчатого вала: а) n = 1800 мин-1 и б) n = 1400 мин-1 Fig. 4. CO level indicators in the exhaust gas at the frequency of the crankshaft rotation: а) n = 1800 min-1 and b) n = 1400 min-1 а) б) Рис. 5. Показатели уровня NOx в ОГ при частоте вращения коленчатого вала: а) n = 1800 мин-1 и б) n = 1400 мин-1 Fig. 5. NOx level indicators in the exhaust gas at the frequency of the crankshaft rotation: а) n = 1800 min-1 and b) n = 1400 min-1 Содержание оксидов азота (NOx) в ОГ при работе дизеля с частотой вращения коленчатого вала n = 1400 мин-1 увеличивается, как на ДТ без подогрева, так и с подогревом. Численные значения оксидов азота увеличиваются на 4,62% при подогреве топлива до 300°С по сравнению с ДТ при нагрузке 0,9 МПа. Согласно теории Зельдовича, образование NOx в процессе сгорания связано с повышением локальной концентрации атомов кислорода и локальной температуры в зоне реакции, это приводит к повышению концентрации оксидов азота в зонах сгорания бедной смеси на поздних стадиях горения [2]. Работа дизельного двигателя на топливе с подогревом сопровождается повышением (подъем линии графика) выбросов диоксида углерода (CO2) с ОГ в сторону увеличения среднего эффективного давления (рис. 6). При давлении, равном 0,9 МПа, численные значения диоксида углерода составляют 8,44%, 8,06% и 8,29% при работе двигателя на ДТ и с подогревом ДТ до 100°С и 300°С, соответственно. Основное влияние в этом случае оказывает недостаток кислорода в зоне горения. На рис. 7 представлены показатели содержания СхНy в отработавших газах при частоте вращения коленчатого вала 1800 мин-1 и частоте максимального крутящего момента 1400 мин-1. При работе дизельного двигателя при n = 1800 мин-1 с подогревом топлива наблюдается увеличение концентрации СхНy в сторону повышения среднего эффективного давления (подъем линии графика). Так при давлении, равном 0,9 МПа, значение СхНy при работе дизеля составляет 5%, 4,8%, 4,7% для случаев ДТ без подогрева, с подогревом топлива до 100ºС и до 300ºС, соответственно. а) б) Рис. 6. Показатели уровня CO2 в ОГ при частоте вращения коленчатого вала: а) n = 1800 мин-1 и б) n = 1400 мин-1 Fig. 6. CO2 level indicators in the exhaust gas at the frequency of the crankshaft rotation: а) n = 1800 мин-1 and b) n = 1400 мин-1 а) б) Рис. 7. Показатель уровня СхНy в ОГ при частоте вращения коленчатого вала: а) n = 1800 мин-1 и б) n = 1400 мин-1 Fig. 7. СхНy level indicators in the exhaust gas at the frequency of the crankshaft rotation: а) n = 1800 min-1 and b) n = 1400 min-1 При работе дизеля на частоте вращения коленчатого вала 1400 мин-1 значения концентрации СхНy при нагреве ДТ уменьшаются. Предполагается, что при мелкодисперсном впрыскивании и хорошей скорости диффузии окислителя происходит ускорение реакции окисления углеводородов, а, значит, и снижение их концентрации в ОГ. На режимах нагрузки температура в цилиндре двигателя повышается, а мелкодисперсное впрыскивание приводит к быстрому разложению легких и средних молекул углеводородов. Выводы 1. Результаты исследований топливной форсунки при работе на высокоактивированном топливе позволяют сделать вывод о ее работоспособности. 2. В результате испытаний были установлены зависимости показателей токсичности и дымности, выявлены их изменения при работе двигателяна активированном топливе. 3. Нагрев топлива позволяет снизить содержание СхНy в ОГ с 8 ppm до 6 ppm при нагреве топлива до 300°С и работе двигателя на частоте вращения коленчатого вала 1400 мин-1. Содержание оксидов азота в ОГ при работе двигателя на нагретом топливе при n=1400 мин-1 увеличивается на 0,01% по сравнению с ДТ без подогрева, а при частоте вращения n=1800 мин-1 уменьшается на 0,01%. Концентрации углерода составляют 10,6%, 10% и 10,6% при работе дизельного двигателя на ДТ без подогрева и с подогревом топлива до 100°С и до 300°С, соответственно.

About the authors

S. A Plotnikov

Vyatka State University

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

A. N Kartashevich

Vyatka State University

DSc in Engineering Kirov, Russia

M. V Motovilova

Vyatka State University

Kirov, Russia

References

Supplementary files