V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

1. n - частота вращения коленчатого вала дизеля, мин^-1

2. р_e - среднее эффективное давление, МПа

3. N_e - эффективная мощность дизеля, кВт

4. М_к - крутящий момент дизеля, Нм

5. G_в - часовой расход воздуха, кг/ч

6. G_т - часовой расход топлива, кг/ч

7.  - коэффициент избытка воздуха

8. g_е - эффективный удельный расход топлива, г/кВтч

9._е - эффективный коэффициент полезного действия

10.  - угол поворота коленчатого вала, градус

11. _впр - установочный угол опережения впрыскивания топлива, градус

12. _i - период задержки воспламенения

13. ()_max – максимальная скорость нарастания давления в цилиндре, МПа/градус

14. Т - осредненная температура цикла в цилиндре, К

15. СО - оксид углерода, мг/л, ррm, %

16. СН_х , С_mНn - суммарные углеводороды; мг/л, ррm, %

17. АТ – альтернативное топливо

18. ВИЭ – возобновляемый источник энергии

19. в.м.т. - верхняя мертвая точка

20. ДВС - двигатель внутреннего сгорания

21. ДT - дизельное топливо

22. КПД; к.п.д. – коэффициент полезного действия

23. КС - камера сгорания

24.ОГ - отработавшие газы

25. ПАВ - поверхностно-активное вещество

26. ПЗВ – период задержки воспламенения

27. п.к.в. – поворот коленчатого вала

28. ТА - топливная аппаратура

29. ТНВД - топливный насос высокого давления

30. ЦЧ - цетановое число

31. Э – этанол

32. ЭСТ – этанолсодержащее топливо

ВВЕДЕНИЕ

Постоянное повышение цен в мире на традиционные источники энергии, политическая и экономическая нестабильность в странах, являющихся основными поставщиками нефти и газа на мировые рынки, заставляет ведущие страны мира искать другие виды источников энергии. В настоящее время более 70% потребностей человечества в энергии удовлетворяются ископаемыми источниками энергии, причем потребление энергии в последние 30 лет возрастало быстрее, чем численность населения.

Например, в 1974 г. общее производство энергии составляло 8,54 млрд. тонн условного топлива при численности населения в мире 3,847 млрд. человек. В 2004 г. производство энергии увеличилось до 14 млрд. тонн условного топлива, а численность населения достигла 6,365 млрд. чел.

Среднее на душу населения потребление энергии составляет примерно 0,8 кВт, но национальные различия в уровне потребляемой энергии очень велики – от 10кВтв США и 4кВтв странах Европы до 0,1кВтв Центральной Африке [7]. Средние темпы роста национального дохода в странах современного мира равны 2…5% в год. При этом ежегодное потребление энергии с учетом роста населения должно возрастать на 4...8%. Такой прирост производства энергии трудно обеспечить без использования новых ее источников.

Ресурсы возобновляемых источников энергии (ВИЭ) огромны и доступны каждой стране. Количество солнечной энергией, поступающей на территорию России за неделю, превышает энергию всех российских запасов нефти, газа, угля и урана, несмотря на то, что Россия обладает 40% мировых ресурсов природного газа, 30% угля и 13% нефти.

В 1997 г. членам ЕС была представлена «Белая Книга», озаглавленная «Энергия будущего: возобновляемые источники энергии», в которой были подведены промежуточные итоги работы по разработке стратегии и тактике использования ВИЭ [7].

Еще в 1974 г., в разгар энергетического кризиса, на общеевропейской конференции в Мадриде была выработана Мадридская декларация, которая предусматривала возможность замещения ВИЭ примерно 15% потребности ЕС в первичной энергии уже к 2010 г.

Дополнительным обстоятельством, требующим усиления внимания к проблеме, является проведение в декабре 1997 г. в Киото конференции по сохранению климата. Протокол конференции предусматривает снижение выбросов вредных веществ в атмосферу в промышленно развитых странах в 2008…2012 годах, по крайней мере, на 5,2% по сравнению с 1990 г. Для снижения выбросов в атмосферу ведётся активная работа по энергосбережению и широкому использованию таких «чистых» видов энергии, как ветер, вода, солнечная энергия и биомасса.

В настоящее время только 17% потребления первичной энергии в мире реализуется из ВИЭ (ветровая и водная энергия, геотермия, энергия солнца и биоэнергия), причем две трети составляет некоммерческая древесина и другие биомассы, и почти одна треть – ветровую энергию.

Кроме факта исчерпывания запасов ископаемых с их энергетическим использованием связаны значительные отрицательные эффекты на внешнюю среду: выбросы в атмосферу токсичных компонентов; тепличный эффект и связанные с ним антропогенные последствия, такие как повышение глобальной средней температуры, уровня моря, глобальных средних осадков, почвенной влажности зимой в северных широтах и повышение частоты погодных катастроф (засухи, ураганы и.т.п.), а также уменьшение почвенной влажности летом в средних широтах в северной гемисфере.

К 2100 г. доминирующую составляющую мирового энергоснабжения составят возобновляемые источники.

ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЭТАНОЛА В ДВС

Одним из вполне возможных видов альтернативных топлив для ДВС может являться этанол. Этанол прекрасно горит, выдерживает ударные нагрузки без взрыва, способствует снижению парниковых газов, выбросов котельных и автомобильных выхлопов, токсических веществ и аэрозолей в атмосферу. Это эквивалентно исчезновению 1 миллиона автомобилей с дорог каждый год [2]. Смесь бензина с этанолом уменьшает образование нагара и снижает количество вредных веществ в двигателе автомобиля, сохраняя двигатель чистым [4].

С энергетической точки зрения преимущества спиртов заключаются, главным образом, в высоком КПД рабочего процесса и высокой детонационной стойкости (октановое число – 108). Величина КПД спиртового двигателя выше бензинового во всем диапазоне рабочих смесей, благодаря чему удельный расход энергии на единицу мощности снижается [6]. При сжигании 95%-ного этанола требуется некоторая модернизация карбюратора.

Топливный биоэтанол почти не содержит воды – его концентрация составляет 99,8%. Поэтому в технологии используется дополнительное обезвоживание при помощи молекулярных сит [5]. В ДВС может применяться 95%-ный и обезвоженный этанол. Смесь бензина с 20…22% обезвоженного этанола (газохол), используют в обычных карбюраторных ДВС. Добавки спирта устраняют необходимость введения в бензин антидетонатора. В настоящее время газохол широко используется в Бразилии (этанол получают из сахарного тростника и маниоки) и в США (этанол из кукурузы) [3].

Использование 10%-ных смесей этанола снижает выброс парниковых газов на 12…19% по сравнению с обычным бензином (данные Argonne National Laboratory). Например, в 2004 г. применение этанола позволило сократить выбросы на 7 млн. тонн, что сравнимо с годовым выбросом миллиона автомобилей (данные Argonne's GREET 1.6 Model) [2]. Американская пульмонологическая ассоциация (Чикаго) подтверждает, что применение реформулированного этанолом бензина с 1990 года уменьшило образующие смог выбросы на 25%.

Этанол снижает выброс оксида углерода (CO) на 30% даже у новых автомобилей, твердых частиц на 50%, снижает образование вторичной пыли, уменьшая количество ароматических углеводородов в бензине. Токсичность выхлопа снижается на 21% [2]. Снижение содержания оксидов азота обусловлено меньшей (на 150^оС) температурой горения этанола по сравнению с бензином; более полным сгоранием за счет содержания в его молекуле кислорода. Это обеспечивает снижение содержания СО и СН_х в отработавших газах.

Однако спиртовые топлива имеют следующие существенные недостатки.

Низкая энергоплотность спиртов по сравнению с углеводородными топливами ведет к увеличению почти в 2 раза их удельного расхода и требует для обеспечения одинакового запаса хода большего объема топливного бака [2].

В отработавших газах при использовании спиртовых топлив обнаружены альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, содержание которых в 1,5…2 раза выше по сравнению с использованием углеводородных моторных топлив [2].

Неограниченная растворимость воды в этаноле, контакта с которой практически невозможно избежать. Попадание даже небольшого количества воды резко ухудшает эксплуатационные свойства спиртовых топлив и приводит к вымыванию спиртов из бензина и переходу их в нижний водно-спиртовой слой [2]. Способность бензино-спиртовых смесей к расслаиванию зависит от состава бензина, содержания спирта и содержания воды в композиции. С увеличением концентрации ароматических соединений в бензине и увеличением содержания в топливе спирта температура помутнения понижается [6].

Низкое давление насыщенных паров и высокая теплота испарения, в 4…5 раз превосходящая эти показатели углеводородных топлив. Это делает практически невозможным запуск карбюраторных ДВС уже при температурах ниже +10°С. Для улучшения пусковых качеств в спирты добавляют 4…6% изопентана или 6…8% диметилового эфира. Это обеспечивает запуск двигателя при температуре воздуха от –20°С до –25°С. Для этой же цели спиртовые двигатели оборудуются специальными пусковыми подогревателями. При неустойчивой работе двигателя на повышенных нагрузках из-за плохого испарения спиртов требуется дополнительный подогрев топливной смеси [2, 6].

Высокая коррозионная агрессивность самих спиртов и, особенно, продуктов их превращений (низкомолекулярные кислоты, альдегиды и т.п.), усиливающаяся в присутствии воды [2]. Спирты оказывают отрицательное влияние на резинотехнические и пластмассовые детали оборудования и двигателей, вызывая их набухание (а иногда и растворение), изменение геометрических размеров со всеми вытекающими последствиями [2].

Переход с углеводородных топлив на спиртовые требует регулировки системы топливоподачи, в частности, соотношения воздух–топливо. Это значения для спиртовых топлив значительно ниже из-за наличия кислорода в последних, изменения степени сжатия и других параметров двигателя [2].

Но эти недостатки можно устранить, применяя специальные меры:

– устранение возможности контакта с водой и водяными парами или проведение осушки спиртов перед заправкой в автомобиль; оба варианта чрезвычайно трудно реализуемы в больших масштабах [2]; можно использовать стабилизирующие добавки или сорастворители, гомогенизирующие систему бензин–вода–спирт; также рекомендуется вводить спирт в бензин непосредственно перед заправкой автомобиля; в качестве стабилизаторов бензино-спиртовых смесей предлагается использовать алифатические спирты С₃–С₁₂ нормального и разветвлённого строения, фенолы, алкилацетаты, простые и сложные эфиры и их металлоорганические производные, кетоны, амины, ПАВ, а также гликоли и их эфиры, альдегиды, кетали, ацетали, алкилкарбонаты, карбоновые кислоты и смеси указанных соединений; добавка стабилизаторов препятствует расслоению спиртосодержащего топлива до температуры –40…–23°С; хорошим и при этом дешёвым стабилизатором являются сивушные масла, обеспечивающие гомогенность топлива при температуре выше –25°С [6];

– использование металлов или различных покрытий, не подвергающихся коррозии при контакте со спиртовыми топливами, или введение в спиртовые топлива специальных антикоррозионных присадок (ингибиторов коррозии); и тот и другой методы борьбы с коррозионной агрессивностью спиртовых топлив ухудшают экономические показатели их применения [7];

– замена резинотехнических и пластмассовых изделий, подвергающихся воздействию спиртов, на материалы, стойкие к такому воздействию [2];

– разработка каталитических нейтрализаторов отработавших газов, способных обеспечить окисление альдегидов, кислот и других продуктов неполного сгорания спиртовых топлив до воды и диоксида углерода [2].

Несмотря на такое значительное количество недостатков, этанол нашёл своё применение в качестве добавок к топливу [16].

СОЗДАНИЕ НОВЫХ ЭТАНОЛСОДЕРЖАЩИХ ТОПЛИВ.

Даже приближенное сравнение свойств этанола и ДТ позволяет считать весьма проблематичным его применение в дизеле в чистом виде. Наилучшие перспективы может иметь применение испаренного этанола или смесей с ДТ. Однако свойства самого суммарного топлива при этом несколько изменяются. Проведенными ранее исследованиями [8] установлено, что смесь 15%Э + 85%ДТ имеет достаточные значения вязкости и плотности, но сниженные показатели фильтруемости (табл. 1). Указанное обстоятельство затруднит прокачиваемость смеси по системе питания. Одновременно имеет место снижение ЦЧ суммарного топлива на 8 единиц ниже требований стандарта.

Таблица 1.

Влияние этанола на свойства смесей с ДТ [8]

Показатель	ГОСТ 305-82	Содержание этанола в смеси, %
		0	5	10	15
Температура помутнения, оС	Не выше -5	-8	+3	+17	+25
Предельная температура фильтруемости, оС	Не норм.	-10	-10	-9	-8
Температура застывания, оС	≤-10	-17	-17-	Не определяется
Температура вспышки в закрытом тигле, оС	≥+40	+82	+14	+14	+13
Фракционный состав, оС: - 50% перегоняется при - 96% перегоняется при	≤280 ≤360	266 355	265 355	262 350	256 341
Плотность при 20оС, кг/м3	≤860	834	832	829	827
Вязкость кинематическая при 20оС, мм/с	3,0-6,0	4,39	4,01	3,71	3,63
Коэффициент фильтруемости	≤3	1,18	1,21	1,67	1,71
Цетановое число, ед.	≥45	51	43	-	37

Следующим сдерживающим фактором является стабильность смесей этанола и ДТ - этаноло-топливных эмульсий.

На практике, при приготовлении, хранении и использовании эмульсий, в зависимости от конкретной технологии их применения, в понятие стабильности часто вкладывают различный смысл. Для условий применения эмульсии в качестве моторного топлива на первый план выдвигается седиментационная устойчивость – способность эмульсии сохранять однородность по высоте столба с течением времени. В промышленности известны несколько видов эмульгаторов обратных эмульсий. Однако, все эмульгаторы обеспечивают высокое значение устойчивости эмульсий к коалесценции – 1…3 суток и минимальное к седиментации [9].

Основным вариантов является введение катионоактивных функциональных групп, которые в растворе образуют положительно заряженные ионы, обуславливающие поверхностную активность. Это высшие нитриты, амины, имиды, жирнокислотные соли металлов и др. Введение до 0,3% такого эмульгатора повышает стабильность к седиментации до нескольких часов.

Другим вариантом является применение композиций водо- и маслорастворимых ПАВ (пентол, твин, эдималь, нефтяной сульфонат). Их добавка снижает межфазное натяжение на границе вода-углеводород. Однако, максимальная устойчивость к флокуляции, а, следовательно, седиментационная устойчивость, наблюдается при различном и строго определенном соотношении компонентов [10], которое трудно поддается подсчету.

Следовательно, для стабилизации этаноло-топливных эмульсий будут целесообразны композиции из нескольких компонентов:

- ПАВ - для снижения межфазного натяжения на границе вода-углеводород;

- веществ, препятствующих флокуляции;

- эмульгаторов, повышающих седиментационную стойкость.

Наиболее распространённые дисперсанты – высокомолекулярные основания Манниха, эфиры полиатомных спиртов, алкилфенолы, алкенированные полиамины, высшие карбоновые кислоты и их имиды.

В настоящее время исследователи всего мира применяют топливные эмульсии на основе этанола.

Например, в работе [11] описывается жидкое топливо для двигателя внутреннего сгорания, стабильное и способное храниться, представляющее собой по меньшей мере двухфазовую жидкую эмульсию с водой, являющуюся непрерывной фазой на основе углеродсодержащего топлива с добавлением 2-20 об.% спирта, 0,3-1 об.% неионного эмульгатора, отличающееся тем, что углеродсодержащее топливо выбирают из группы: бензин прямой перегонки, бензин, дизельное топливо, керосин, газовое углеродсодержащее топливо, синтетическое углеродсодержащее топливо, произведенное из биомассы масел и их смесей, и содержит воду в количестве 40 - 80 об.%. Технический результат - создание стабильного, способного храниться и не воспламеняться вне двигателя, топлива.

В разработке [12,13] описывается топливная эмульсия, содержащая, %: моторное топливо 50-97; низшие спирты 15; вода 0,5-35; эмульгатор на основе оксиэтилированных аминов 0,3-0,6.

Основным недостатком данных эмульсий является невысокое замещение дизельного топлива спиртом.

Исследователями ВГСХА была использована топливная эмульсия, на основе дизельного топлива, содержащая, мас. %: метанол 5,0-40,0; воду 0,5-4,0; алкенилсукцинимид 0,25-0,5; стеарат калия 0,25-0,5; дизельное топливо – до 100 [11,12,13].

Но она имеет недостаток: повышенную жесткость процесса сгорания в дизеле при его работе на эмульсии, снижающая надежность и долговечность дизеля.

Нами [17] предложен новый состав топливной эмульсии, на который подана заявка на выдачу патента РФ. Преимущества предполагаемой топливной эмульсии обуславливаются следующими обстоятельствами:

• Дизельное топливо (до 100%) является горючей фазой, играет роль дисперсионной среды.

• Этанол (5,0…50%) служит для замены дизельного топлива альтернативным, играет роль дисперсионной фазы, но одновременно повышает моющие и снижает смазывающие свойства эмульсии.

• Вода (0,5…5,0%) позволяет повысить стабильность топливной эмульсии и (или) использовать для ее приготовления не обезвоженный спирт (сырец).

• Алкенилсукцинимид (0,25…1%) играет роль эмульгатора.

• Смесь мыл диэтаноламина и олеиновой кислоты – (до 0,2%) позволяет снизить жесткость процесса сгорания в двигателе.

• Присадка ДПА-ЛубриКор в размере 0,02% от объёма топлива повышает смазывающую способность топливной эмульсии. Скорректированный диаметр пятна износа снижается до 350-400 мкм при значении 530-550 мкм для чистого дизельного топлива (табл. 2).

Таблица 2.

Объем присадки ЛубриКор в эмульсии	Скорректированный диаметр пятна износа, мкм	Этанол, %	Вода, %	Дизельное топливо, %
Без присадки	530 - 550	50 50 50	5 5 5	До 100 До 100 До 100
0,01% об.	430 - 475
0,02% об.	350 - 400

Эмульсия готовится следующим образом.

Готовят количество, кратное 100 г. Для этого нужное количество воды растворяют в этаноле, а нужное количество алкенилсукцинимида и смеси мыл диэтаноламина и олеиновой кислоты растворяют в дизельном топливе, затем растворяют смазывающую присадку ЛубриКор с дизельным топливом в соотношении 1:5. Все фазы в названных пропорциях смешивают и подвергают диспергированию.

При работе дизеля на топливной эмульсии предложенного состава с добавкой присадки ЛубриКор нивилируются моющие свойства этанола, тем самым повышаются смазывающие свойства топливной эмульсии.

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ДИЗЕЛЯ НА ЭТАНОЛСОДЕРЖАЩИХ ТОПЛИВАХ

Исследования проводились следующим образом.

Предусматривалось определение влияния присадок различного состава, воды и этанола на свойства топливных композиций. Оптимизировался состав приготавливаемых этанолсодержащих смесей. Производился выбор добавок для создания смесевых топлив и способов их приготовления.

Далее производились сравнительные стендовые испытания работы топливоподающей аппаратуры дизеля на чистом ДТ и этанолсодержащих топливах. Оценивались показатели работы ТПА, определялась необходимость регулировки насоса.

На последней ступени исследований проводились стендовые испытания дизеля при работе на жидких ЭСТ.

Общая схема проведения лабораторных и стендовых исследований применения этанолсодержащих топлив в дизеле Д-243 представлена рисунком 1.

Рис..1. Структурная схема проведения исследований

При исследованиях использовалось дизельное топливо марки Л-0,5-40 по ГОСТ 305-82, синтетический этанол по ТУ 2421-117-00151727-98 «Спирт этиловый синтетический денатурированный», основные свойства которого приведены в табл. 3, присадки к топливу согласно соответствующих ТУ и вода из водопроводной системы.

Таблица 3

Сравнительные свойства этанола и дизельного топлива, [14, 15]

Показатели	Этанол	Дизельное топливо
Элементарный состав, кг/кг: Углерод Водород Кислород Молекулярная масса Плотность при 293К, кг/м3 Вязкость при 293К, мм2/с Низшая расчетная теплота сгорания, МДж/кг Давление паров при 311К, Па Теплоемкость при 293К, кДж/(кг*К) Теплота сгорания горючей смеси, кДж/кг Стехиометрическое количество воздуха, кг/кг Октановое число: по исследовательскому методу по моторному методу Цетановое число Концентрационные пределы воспламенения с воздухом, % по объему Теоретический коэффициент молеку-лярного изменения при сгорании стехиометрической смеси (внутреннее смесеобразование) Смешиваемость с водой Смешиваемость с углеводородными топливами Стоимость, долл./м3	0,520 0,130 0,360 46 789,3 1,76 24,93 0,21105 2,43 26945 9,074 108 89 8 4,3…19 1,14 хорошая плохая 1010	0,87 0,13 - 180…200 820…850 3,5…6,0 42,5 - 1,88 42500 14,4 - - 45 1,58…8,2 1,065 плохая хорошая 723

Приготовление топливных композиций на основе ДТ и этанола и исследование их свойств производилось при постоянных условиях.

При проведении сравнительных испытаний работы топливной аппаратуры дизеля на ДТ и ЭСТ необходимым условием являлось постоянство положения рейки ТНВД в каждом из исследуемых режимов.

Основными режимами исследований работы тракторного дизеля Д-243 являлись номинальный скоростной режим при частоте вращения коленчатого вала 2200 мин^-1 и режим максимального крутящего момента при частоте вращения 1700 мин^-1. Скоростная характеристика дизеля с включенным регулятором частоты вращения снималась в рабочем диапазоне частот 1400…2330 мин^-1.

При исследовании рабочего процесса дизеля с различным соотношением ДТ и этанола необходимым условием являлось сохранение одинаковых значений р_е для каждого исследуемого скоростного режима. Это же условие выполнялось и при снятии скоростных характеристик, то есть на всех фиксируемых частотах вращения коленчатого вала поддерживалось одинаковое значение р_е при работе на ДТ и с различными добавками этанола. Величина р_е определялась косвенным путем из показаний весового механизма загрузочного устройства. Все характеристики снимались при оптимальных значениях установочного угла опережения впрыскиваемого топлива. Одновременно со снятием характеристик производился газоанализ, а также определение дымности ОГ. Отбор и анализ проб ОГ производился на газоанализаторе Maha MGT-5 с соблюдением всех требований согласно инструкции к прибору.

При монтаже оборудования и приборов, проведении исследований свойств новых топлив и стендовых испытаний, газовом анализе учитывались требования действующих ГОСТов.

Перед началом испытаний дизель прошел обкатку продолжительностью 60 мото-часов на указанных режимах, согласно технической документации завода-изготовителя. Перед началом проведения испытаний дизель прогревался до температуры масла в поддоне в пределах 85…95 С и температуры охлаждающей жидкости 75…85^оС. Температура окружающего воздуха и топлива во время опытов не превышала значений, указанных в технической документации завода-изготовителя. Техническое обслуживание дизеля проводилось в соответствии с инструкцией завода-изготовителя. Мощность, крутящий момент, среднее эффективное давление и расходы топлива на различных скоростных режимах приводились к стандартным атмосферным условиям, температуре и плотности топлива согласно ГОСТа 18509-88. После прогрева дизель выводился на номинальный скоростной режим работы и определялись эффективные показатели. Этот режим являлся контрольным. Отклонения эффективных показателей дизеля более чем на 2% свидетельствовали о нарушениях работы какой-либо системы двигателя, которые сразу же устранялось. После окончания испытаний дизель вновь выводился на контрольный режим, и показатели проверялись.

Для выравнивания температур дизель перед началом измерений работал на каждом режиме не менее 5 мин. Частота вращения коленчатого вала дизеля не отличалась от заданной более чем на 5 мин^-1.

Для уменьшения погрешностей измерений замер показателей при испытаниях в каждом опыте повторялся не менее 3 раз, а результат усреднялся. Таким же образом производился газоанализ и определение дымности ОГ.

Сравнительные испытания работы топливоподающей аппаратуры на дизельном топливе и этанолсодержащих топливах проводились на стенде КИ–15711-01. Использовались серийные форсунки ФД-22, устанавливаемые на дизеле Д-243 и рядный плунжерный топливный насос 4УТНМ.

Перед началом испытаний проверялась исправность самого насоса и форсунок (отсутствие заеданий и стуков в насосе и регуляторе при вращении кулачкового вала; плавность перемещения рейки; отсутствие течей топлива и масла) и правильность их регулировок, включая проверку:

- давления подъема иглы форсунок и качество распыливания;

- давления топлива в головке насоса, равного 0,07…0,12 МПа;

- угла начала нагнетания топлива первой насосной секцией и корректировку угла начала впрыскивания по секциям относительно первой секции;

- работы регулятора.

При необходимости значения указанных параметров приводились в соответствие с нормами [7].

Снималась скоростная характеристика топливного насоса с включенным регулятором частоты вращения.

Параметры процесса топливоподачи определялись и контролировались для всех режимов работы, однако они оптимизировались, прежде всего, для номинального режима, так как на других режимах их удается оптимизировать лишь частично.

Необходимым условием сравнительных испытаний работы топливной аппаратуры на ДТ и этанолсодержащих топливах являлось одинаковое положение рычага управления регулятором, соответствующее режимам максимальной подачи, частичной нагрузки и близкому к холостому ходу.

В процессе испытаний определялась производительность насосных секций, их цикловая подача. Кроме того, подсчитывался часовой расход смесевого топлива и замерялась его температура в головке ТНВД.

Неравномерность подачи по секциям насоса подсчитывалась по известной зависимости [7].

Замерялись отклонения начала впрыскивания и длительность впрыскивания по секциям насоса.

Качество распыливания топлива форсунками оценивалось визуально.

При проведении испытаний не допускались:

- местные нагревы до температуры выше + 80⁰С;

- ненормальные шумы;

- заедание или единичные прихваты плунжера при любых его угловых положениях;

- защемление рейки насоса.

Важным моментом при работе тракторного дизеля на этанолсодержащих топливах являлось определение допустимого количества этанола, содержащегося в топливной смеси. Так как этанол способствует увеличению периода задержки воспламенения, и, вследствие этого, повышению жесткости процесса сгорания, то наибольшая допустимая концентрация этанола в топливах различного состава выбиралась по нарастанию скорости давления в цилиндре, определяющему жесткость процесса сгорания. Критическим считалось значение (dp/d)_max, при котором на слух регистрировалась чрезмерная жесткость процесса, т.е. появлялись звонкие стуки, сходные по характеру с детонацией в карбюраторном двигателе.

Оптимальный установочный угол опережения впрыскивания топлива определялся из соответствующей регулировочной характеристики дизеля, для построения которой снимался ряд нагрузочных характеристик по подаче топлива при различных значениях установочного угла опережения впрыскивания топлива, различных количествах этанола, содержащегося в суммарном топливе и постоянном значении частоты вращения.

Нагрузочные и скоростные характеристики дизеля снимались при разных концентрациях испаренного и жидкого этанола в суммарном топливе.

Концентрация этанола определялась в процентном отношении к массе суммарного топлива.

Концентрация присадки выбиралась с учетом результатов исследований стабильности и составляла постоянное значение для всех опытов. Приготовление и подача ЭСТ осуществлялась следующим образом. Выбранный для исследований состав этанолсодержащего топлива приготавливался заблаговременно при фиксированных требуемых значениях ингредиентов топливной композиции. Требуемое количество присадки предварительно растворялось в ДТ. Подача ЭСТ осуществлялась штатной системой топливоподачи после пуска и прогрева дизеля на чистом дизельном топливе.

Снятие скоростных и нагрузочных характеристик дизеля, газовый анализ проб и определение дымности ОГ производились в полном объеме для всех исследуемых составов этанолсодержащих топлив и выбранных режимов работы дизеля.

Экспериментальный комплекс для исследований возможности улучшения эксплуатационных показателей тракторных дизелей путем применения этанолсодержащих топлив был создан на кафедре «Тракторы и автомобили» Белорусской государственной сельскохозяйственной академии на базе электротормозного стенда SAK-N670 производства Германии с балансирной маятниковой машиной и комплекта измерительных приборов с выводом данных на монитор компьютера. На рис. 2 показан общий вид пульта управления стендом, на рис. 3 – вид на динамометрическое устройство стенда, на рис. 4 - вид на монитор компьютера с текущими данными в процессе испытаний.

Рис. 2. Общий вид пульта управления электротормозным стендом SAK-N670 и экспериментальной установкой.

Экспериментальные исследования по применению этанолсодержащих топлив проводились на тракторном дизеле Д-243 трактора Беларус 82.1 тягового класса 1,4 производства Минского тракторного завода (рис. 5). Это дизель без наддува, с неразделенной камерой сгорания типа ЦНИДИ в поршне и непосредственным впрыскиванием топлива. Комплекс содержал необходимое измерительное оборудование и приборы с выводом данных на монитор компьютера.

Рис. 3. Вид на динамометрическое устройство стенда

Рис. 4. Вид на монитор компьютера

Рис. 5. Вид на дизель Д-243, установленный на стенде

Коленчатый вал двигателя экспериментальной установки соединялся с валом электротормозного стенда посредством карданной передачи. Частота вращения коленчатого вала двигателя измерялась электронным датчиком.

Датчик отметки ВМТ устанавливался на корпусе маховика дизеля. Датчик давления в цилиндре устанавливался в переходнике, установленном на головке цилиндра. Все установленные датчики принадлежали одному изготовителю – фирме «AVL».

Расходы дизельного топлива и этанола определялись двумя электронными расходомерами АИР–50 массовым способом.

Расход воздуха при работе дизеля определялся с помощью газового счетчика РГ–250, установленного перед впускным ресивером.

Давление отработавших газов и разряжение во впускном патрубке измерялось с помощью U-образных водяных манометров. Влажность и барометрическое давление окружающего воздуха измерялись психрометром и барометром-анероидом. Температуры окружающего воздуха и топлива измерялись ртутными термометрами. Полученные результаты приводились к нормальным атмосферным условиям согласно ГОСТ 18509-88.

Давление масла в дизеле измерялось мембранным датчиком МД-219.

Температура охлаждающей жидкости измерялась электрическим датчиком УК-133В. Температура ОГ дизеля замерялась с помощью хромель-алюмелевых термопар.

Перед началом испытаний и после окончания весовой механизм «Рапидо» балансироной маятниковой машины тарировался с помощью эталонных гирь.

Проверка и регулировка топливного насоса осуществлялась на комплексном стенде для испытаний топливной аппаратуры КИ–15711-01, оборудованном электронной системой измерения угла впрыскивания топлива.

Регулировка форсунок на давление впрыскивания и качество распыливания (по мелкости частиц распыленного топлива и звучности впрыскивания) осуществлялось с помощью прибора КИ-3333.

Расчет значений ПЗВ ведем в следующей последовательности. Вначале задаем:

1) частоту вращения вала дизеля n;

2) цикловую подачу топлива q_ц;

3) степень сжатия ;

4) объем камеры сгорания V_с;

5) безразмерный кинематический параметр ;

6) продолжительность впрыскивания _впр;

7) коэффициент избытка воздуха в смеси ;

8) действительный угол опережения впрыскивания _оп.впр:

9) угловую скорость вращения заряда ;

10) основные теплофизические свойства топлива:

а) относительную плотность топлива;

б) среднеобъемную температуру разгонки Т₅₀;

в) теплоту парообразования L_v;

г) стехиометрический коэффициент смеси L_o;

д) теплоемкость жидкого топлива С_т и паров;

е) характеристический фактор топлива К_т;

11) начальную температуру топлива Т_т,о;

12) температуру Т_а в конце впуска и теплоемкость воздуха С_в;

13) относительную степень испарения топлива за ПЗВ i_v,i.

Затем производим расчет исходных и характерных параметров воспламенения _нв, К_ф, В, В₁, а₁, а, . Эти параметры могут определяться или рассчитываться заранее или непосредственно в рамках эксперимента. Производим окончательный расчет значений ПЗВ.

В таблице 4 приведены данные расчетов ПЗВ в дизеле Д-243 для различных составов дизельных топлив с добавками этанола и различных значений углов _оп.впр. На рисунке 6. показана номограмма, построенная по результатам расчетов для выбранного значения установочного угла опережения впрыскивания топлива _оп.впр.

Рассмотрение полученных результатов позволяет предположить усиление влияния добавки этанола на увеличение ПЗВ с ростом его присутствия в суммарном топливе из расчета 0,1 градуса пкв на 1% этанола, которое может быть объяснено влиянием продолжительности физической стадии _ф процесса воспламенения.

Таблица 4.

Данные расчетов периода задержки воспламенения для различного состава этанолсодержащих топлив

Состав топлива	Частота вращения, мин-1	Значение i градус при оп.впр
		18	20	22	24	26
ДТ	600	4,85	5,04	5,28	5,58	5,96
	1000	5,63	5,82	6,05	6,34	6,70
	1400	6,12	6,30	6,52	6,78	7,11
	1800	6,53	6,70	6,90	7,14	7,44
	2200	6,98	7,14	7,33	7,55	7,83
95%ДТ+5%Э	600	5,02	5,22	5,47	5,78	6,18
	1000	5,83	6,03	6,27	6,57	6,95
	1400	6,36	6,54	6,77	7,04	7,38
	1800	6,79	6,97	7,18	7,43	7,74
	2200	7,28	7,45	7,65	7,88	8,17
90%ДТ+10%Э	600	5,27	5,48	5,74	6,07	6,48
	1000	6,13	6,34	6,59	6,91	7,30
	1400	6,69	6,88	7,12	7,41	7,77
	1800	7,16	7,34	7,56	7,83	8,15
	2200	7,69	7,87	8,07	8,32	8,62
80%ДТ+20%Э	600	5,84	6,07	6,36	6,71	7,18
	1000	6,80	7,03	7,31	7,66	8,10
	1400	7,44	7,66	7,92	8,24	8,64
	1800	7,99	8,19	8,44	8,73	9,09
	2200	8,61	8,81	9,04	9,32	9,65
70%ДТ+30%Э	600	6,50	6,76	7,07	7,47	7,99
	1000	7,59	7,84	8,16	8,54	9,03
	1400	8,31	8,56	8,85	9,21	9,65
	1800	8,96	9,19	9,46	9,79	10,20
	2200	9,69	9,91	10,17	10,48	10,86
60%ДТ+40%Э	600	7,29	7,58	7,94	8,39	8,96
	1000	8,53	8,82	9,17	9,61	10,15
	1400	9,38	9,65	9,98	10,38	10,89
	1800	10,13	10,39	10,70	11,07	11,53
	2200	11,01	11,26	11,55	11,90	12,33

Рис. 6. Номограмма для определения ПЗВ при работе дизеля Д-243 на различных режимах и составах этанолсодержащихтоплив (_оп.впр = 22 град.)

Значение эффективного КПД, учитывающего использование теплотворной способности топлива при работе дизеля на этанолсодержащем топливе снижается на 2% относительно работы на ДТ. При этом максимум его несколько сдвигается в сторону меньших нагрузок. Минимум удельного эффективного расхода топлива при работе дизеля на ЭСТ также сдвигается в сторону меньших нагрузок. Если при работе на ДТ g_{e min} достигается при р_е = 0,59 МПа, то при работе на ЭСТ с 5% этанола он соответствует р_е = 0,56 МПа. Очевидно, работа на ЭСТ изменяет характер протекания процесса смесеобразования и, как следствие, характеристики процесса сгорания топлива.

Часовой расход воздуха изменяется неоднозначно, но в целом, можно констатировать хорошее совпадение его значений, как при работе на чистом ДТ, так и на смеси с этанолом. Коэффициент избытка воздуха при этом увеличивается на 0,3…0,4 единицы во всём диапазоне нагрузок, но с уменьшением нагрузки это увеличение заметнее.

Указанное обстоятельство может быть объяснено наличием дополнительного кислорода в составе молекулы этанола и снижением стехиометрического соотношения смеси этанолсодержащего топлива и воздуха.

Влияние присутствия этанола в суммарном топливе на изменение эффективных показателей дизеля можно рассмотреть и по скоростным характеристикам на номинальной нагрузке (рис. 7).

Из графиков видно, что работа дизеля на ЭСТ вызывает некоторое изменение его эффективных показателей. Так, кривые значений эффективной мощности, крутящего момента и эффективного КПД снижаются в сравнении с аналогичными кривыми для ДТ. Снижение КПД составляет 0,5…1% для случая присутствия 5% этанола и 2…2,5% для случая присутствия 20% этанола в суммарном топливе.

Рис 7. Скоростные характеристики дизеля Д - 243: - дизельное топливо; - 2% этанола в топливе; - 5% этанола в топливе; - 20% этанола в топливе.

Снижение эффективной мощности и крутящего момента дизеля составляет 13,5…14,2% на частоте вращения 1400 мин^-1 при работе с добавкой 20% этанола. В то же самое время на номинальной частоте вращения 2200 мин^-1 их значения выше на 1,4…2,2%, чем для случая работы на чистом ДТ.

ВЫВОДЫ

Проведенный анализ свойств новых топлив на основе ДТ и этанола и их влияния на процессы, происходящие в дизеле, позволяет сделать следующие основные выводы.

Применение этанола в дизеле в чистом виде маловероятно. Наилучшие перспективы может иметь применение смесей с ДТ. Однако свойства самого суммарного топлива при этом несколько изменяются.

С целью улучшения эксплуатационных свойств дизеля предложен оригинальный состав этаноло-топливной эмульсии.

Отмеченные выше особенности применения этанолсодержащих топлив позволяют прогнозировать удовлетворительное совпадение основных эффективных показателей работы на уровне серийного дизеля, работающего на чистом дизельном топливе. При этом средний уровень сокращения расхода самого ДТ может составить 20…25%.

На основе экспериментальных исследований установлено, что работа дизеля с добавлением до 20% этанола позволяет сократить расход дизельного топлива до 15,7%, снизить содержание в ОГ сажи на 72…87%, уменьшить выход других токсичных компонентов.

Снижается температура ОГ, а, следовательно, и теплонапряженность цилиндропоршневой группы во всех диапазонах нагрузок и частот вращения. В результате появляется возможность форсирования дизеля по среднему эффективному давлению без снижения показателей его долговечности.

Улучшение экологических характеристик дизеля, работающего на этанолсодержащем топливе, объясняется наличием дополнительного атома кислорода в молекуле этанола. Это уменьшает интенсивность термического крекинга углеводородного топлива, увеличивая окисление присутствующего углерода.

ЛИТЕРАТУРА

1. Дашков В.Н. Возобновляемые источники энергии в ресурсосберегающих технологиях АПК: монография / В.Н. Дашков. Барановичи: РУПП "Баранов, укрупн. тип." 2003. 184 с.

2. Бойлс Д. Биоэнергия: технология, термодинамика, издержки / пер. с англ. М. Ф. Пушкарева; под ред. Е. А. Бирюковой. М.: Агропромиздат, 1987. 152 с.

3. Брошюра Карташевич А.Н.,Плотников С.А.,Гурков Г.Н. Применение этанолсодержащих топлив в дизеле. Часть 1. Киров, 2011.-116 с.: ил.

4. Болотов А.К., Плотников С.А. Плунжер топливного насоса высокого давления. - Патент РФ № 2100639, МКИ⁶ F 02 М 59/00, 59/44. - 3 с., 2 ил.

5. Болотов А.К., Плотников С.А. Плунжер ТНВД. - Патент РФ № 2108480, МКИ⁶ F 02 М 59/02, 59/44. - 4 с., 1 ил.

6. Болотов А.К., Плотников С.А. Система регулирования многотопливного дизеля. - Патент РФ № 2044908, МКИ⁵ F 02 D 1/04, 1/10. - 4С., 4 ил.

7. Белявцев А.В., Процеров А.С. Топливная аппаратура автотракторных дизелей. – М.: Росагропромиздат, 1988. – 224 с.

8. Производство и применение биодизеля: справочное пособие. /А.Р.Аблаев и др. – М.: АПК и ППРО, 2006. – 80 с.

9. Чистяков Б.Е., Беденко В.Г. Основные предпосылки создания стабильных водно-топливных эмульсий. //Химия и технология топлив и масел, 1982. - № 3. – С. 22-23.

10. Лиханов В.А., Плотников С.А. Улучшение метаноло-топливных эмульсий для использования в тракторных дизелях. //Двигателестроение, - 1994. - С. 74, 35.

11. Патент США № 4732576, кл. 44-51, 1988.

12. А.с. СССР № 1728290, C 10 L 1/32 – прототип.

13. Архангельский В.М и др. Автомобильные двигатели. Под. ред М.С.Ховаха. М.: Машиностроение, 1977. – 591 с., ил.

14. Обельницкий А.М. Топливо и смазочные материалы. - М.: Высшая школа, 1982. - 208 с.

15. ТУ 2421-117-00151727-98 «Спирт этиловый синтетический денатурированный». Общие требования.

16. Загребин – конференция

17. Заявка на патент РФ «Топливная эмульсия»

№ 2012152235/07(2406015), дата регистрации 04.12.12г., авторы: Загребин В.В., Плотников С.А., Бузиков Ш.В., Карташевич А.Н., Гурков Г.Н.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Код для цитирования: Скопировать