Сжимаемость смесей дизельного топлива с пальмовым маслом

Размещено на http://allbest.ru

СЖИМАЕМОСТЬ СМЕСЕЙ ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА С ПАЛЬМОВЫМ МАСЛОМ

Е.А. Федянов, Е.А. Салыкин, А.В. Курапин, Э.Ч. Кадиата

Актуальность. Использование альтернативных топлив растительного происхождения является действенным способом решения проблемы уменьшения выбросов вредных веществ в двигателях внутреннего сгорания и истощения запасов топлив нефтяного происхождения. Одним из наиболее распространенных видов топлив растительного происхождения являются растительные масла. Для стран Африки наиболее актуальным является использование пальмового масла. Объект. Объектом исследования является сжимаемость пальмового масла и его смесей с дизельным топливом. Материалы и методы. Исследования проводились в лаборатории кафедры «Теплотехника и гидравлика» Волгоградского государственного технического университета с использованием образцов пальмового масла, привезенного из Демократической Республики Конго. Для определения сжимаемости использован метод, основанный на измерении скорости звука в топливе, находящемся в нагнетательном трубопроводе. Результаты и выводы. Показано, что с увеличением давления и доли пальмового масла в смесевом топливе его сжимаемость уменьшается. При увеличении начального давления с 40 до 270 бар в дизельном топливе истинный коэффициент сжимаемости в среднем уменьшается с 9,924-10^-10 Па^-1 до 7,966-10^-10 Па^-1, или на 19,73 %. В чистом пальмовом масле при тех же давлениях истинный коэффициент сжимаемости в среднем снижается с 6,296-10^-10 Па^-1 до 5,593-10^-10 Па^-1, или на 11,17 %. При начальном давлении 40 бар истинные коэффициенты сжимаемости в дизельном топливе и пальмовом масле в среднем различаются на 36,56 %. При начальном давлении 270 бар эти величины различаются на 29,79 %. Для учета указанных различий сжимаемости топлив на основе смесей пальмового масла и дизельного топлива при расчетах процессов топливоподачи в дизелях, работающих на указанных смесях, предложено аппроксимирующее уравнение для определения истинного коэффициента сжимаемости на основе полиномов второй степени.

Ключевые слова: дизельные двигатели, дизельное топливо, пальмовое масло, смесевое биотопливо, впрыскивание топлива, топливоподача, сжимаемость топливных смесей.

Введение

В настоящее время во многих странах мира наблюдается тенденция расширения топливной базы для дизельных двигателей внутреннего сгорания за счет применения альтернативных топлив растительного происхождения. В большинстве своем такие альтернативные топлива - это различные виды растительных масел, которые по своим теплофизическим свойствам отличаются от дизельных топлив, вырабатываемых из нефти. Они имеют большую плотность и вязкость, меньшую теплоту сгорания. Для их полного сжигания требуется подавать меньше воздуха, так как они содержат в своем составе некоторое количество кислорода. В связи с указанными отличиями в теплофизических свойствах растительные масла используют, в первую очередь, как добавки к обычному дизельному топливу. Это позволяет применять существующую топливную аппаратуру дизельных двигателей с относительно небольшим изменением ее регулировок.

Важным свойством топлива для дизельных двигателей, влияющим на протекание процесса его впрыскивания, является сжимаемость. Сжимаемость влияет на величину цикловой подачи и в разделенных системах топливоподачи определяет задержку впрыскивания топлива относительно начала хода плунжера топливного насоса.

Для некоторых африканских стран, например для ДР Конго, перспективным видом альтернативного топлива, которое можно использовать в смесях с дизельным, является пальмовое масло. При этом особый интерес представляет возможность использования добавок пальмового масла непосредственно его производителями для питания дизельных двигателей сельскохозяйственных машин. По общемировому объему производства пальмовое масло занимает первое место среди всех растительных масел [3, 4, 6].

Пальмовое масло хорошо смешивается с дизельным топливом и остается в составе таких смесей в жидкой фазе даже при температурах, которые ниже температуры застывания чистого пальмового масла [1, 9, 11, 12]. По сравнению с нефтяным дизельным топливом пальмовое масло более вязкое и имеет большую плотность [2, 8]. Оно содержит 8...12 % кислорода. Низшая теплота сгорания пальмового масла составляет 37,1 МДж/кг против 42...43 МДж/кг у дизельных топлив. Согласно имеющимся экспериментальным данным [7] сжимаемость пальмового масла меньше, чем у дизельного топлива.

При переводе выбранного типа дизельного двигателя на питание смесевым топливом целесообразно выполнить предварительное моделирование его рабочего процесса с целью оценки показателей при работе на таком топливе и определения необходимого изменения регулировок топливной аппаратуры. Для правильного описания в математической модели процесса топливоподачи необходимы надежные данные о сжимаемости смесевых топлив. Ниже приведены результаты проведенных в Волгоградском государственном техническом университете экспериментов по определению сжимаемости смесей дизельного топлива с пальмовым маслом.

Материалы и методы. Сжимаемость определяли по методике проф. И.В. Астахова (Астахов, И. В. Сжимаемость моторных топлив // Энергомашиностроение, 1960. № 9. С. 8-11), основанной на измерении скорости распространения в топливе импульса давления, то есть на измерении скорости распространения в нем звуковой волны. Схема созданной для этой цели лабораторной установки приведена на рисунке 1. К ручному одноплунжерному насосу высокого давления присоединен нагнетательный трубопровод с форсункой ФД-22. В начале и конце измерительного участка длиной L = 1,4 м нагнетательного трубопровода установлены датчики давления модели ПД-Р производства компании BD (Индия) со следующими техническими характеристиками: диапазон измерения: 0.60 МПа; погрешность: 0,5 % от предела измерений; выходной сигнал: 4.20 рА; питание: DC 10.30 V; температура измеряемой среды: от - 40 °С до + 150 °С. Для регистрации и записи сигналов датчиков использованы аналогово-цифровой преобразователь Z230 производства компании Zetlab, работающий в двухканальном режиме, с программным обеспечением Powergraph.

Рисунок 1 - Гидравлическая схема экспериментальной установки 1 - емкость с топливом; 2 - топливозаборник; 3 - фильтр; 4 - нагнетательная секция топливного насоса высокого давления; 5 - соединительные трубопроводы; 6 - нагнетательный трубопровод; 7 - входной датчик давления; 8 - выходной датчик давления; 9 - форсунка

Измерение скорости распространения волны давления выполнялось следующим образом. Пружина иглы форсунки ФД-22 регулировалась на одно из следующих значений давлений рф начала впрыскивания: 100, 200, 300, 400 бар. С помощью насоса стенда в нагнетательном трубопроводе создавалось начальное давление, равное 0,9 от давления, на которое отрегулирована форсунка. После этого производился впрыск топлива через форсунку. Импульсы давления в трубопроводе, возникавшие в этот момент в трубопроводе, регистрировались с помощью датчиков и записывались в памяти компьютера. Для каждого установленного регулировкой форсунки давления впрыскивания проводилось не менее трех серий опытов по 25 впрыскиваний в каждой. Пример записи сигналов датчиков давления, установленных на нагнетательном трубопроводе, показан на рисунке 2.

Рисунок 2 - Осциллограмма распространения импульса давления в трубопроводе Figure 2 - Oscillogram of pressure pulse propagation in the pipeline

Скорость a распространения волны давления находили как отношение длины L мерного участка нагнетательного трубопровода и временному интервалу Ат между передними фронтами импульсов:

Все опыты были проведены при температуре окружающей среды t₀ = 22...24 °С и атмосферном давлении р₀ = 102 кПа. Во время опытов температура перед топливным насосом всех испытанных топлив и топливных смесей поддерживалась равной 50 °С.

Опыты были проведены для дизельного топлива марки ДЛ, пальмового масла и смесей дизельного топлива с пальмовым маслом. Содержание пальмового масла в смесях составляло 10, 20. 30, 40, 50, 60 % по объему. Смеси дизельного топлива ДЛ с пальмовым маслом приготавливались в соответствии с рекомендациями, изложенными в ГОСТ Р 52808-2007 (ГОСТ Р 52808-2007. Нетрадиционные технологии. Энергетика биоотходов. Термины и определения. Введ. с 27.12.2007. Москва: Стандартинформ, 2008. 9 с.). Для исключения стратификации полученных смесей пальмовое масло перед смешением нагревали до 60.70 °С, приближая его вязкость к вязкости дизельного топлива. Длительность собственно перемешивания составляла 30 минут.

Значения истинного коэффициента сжимаемости в в Па^-1, находили по формуле:

где р₀ - плотность топлива при нормальных условиях, кг/м³; р_н - заданное начальное давление, Па; k - поправка Ротрока, учитывающая деформацию трубопровода.

Поправку Ротрока вычисляли как:

где Е - модуль упругости материала, из которого изготовлен трубопровод, МПа; R и r - внешний и внутренний радиусы трубопровода, м; р - коэффициент Пуассона.

Результаты и обсуждение

На рисунках 3 а и 3б представлены полученные в результате проведенных опытов зависимости скорости распространения импульса давления а и коэффициента сжимаемости в от начального давления р_н для дизельного топлива, пальмового масла и различных по составу смесей этих топлив. Разброс значений коэффициента сжимаемости, оцениваемый коэффициентом вариации, в сериях повторных опытов не превышал 4,5 %.

Зависимость коэффициента сжимаемости от давления, найденная для дизельного топлива без добавок пальмового масла, была сопоставлена с аналогичными зависимостями, полученными другими исследователями [5, 10]. Как видно на рисунке 4, найденная нами зависимость Р = f (р_н) хорошо совпадает с аналогичной зависимостью, полученной Л. В. Греховым (Грехов Л. В. Конструкция, расчет и технический сервис топливоподающих систем дизелей: учеб. пособие / Л. В. Грехов, И. И. Габитов, А. В. Неговора. М.: Изд-во Легион-автодата, 2013. 292 с.) для дизельного топлива при температуре 20 °С.

Полученные экспериментально зависимости величины истинного коэффициента сжимаемости от давления для чистого дизельного топлива, смесевых топлив с различным содержанием в них пальмового масла и чистого пальмового масла были аппроксимированы полиномами второй степени вида:

В таблице приведены полученные в результате аппроксимации значения коэффициентов полиномов для смесевых топлив различного состава.

Таблица - Коэффициенты аппроксимирующих полиномов

Как видно из приведенных в таблице данных, коэффициенты полиномов зависят от состава смесевого топлива, т. е.:

где g_m - доля пальмового масла в смесевом топливе.

Рисунок 3 Зависимости скорости распространения звука а от начального давления при различных составах смесей (а); Зависимости коэффициента сжимаемости р от начального давления при различных составах смесей (б)

Рисунок 4 - Зависимости коэффициента сжимаемости р от начального давления для чистого дизельного топлива

Для функций f(gm) также были получены аппроксимирующие их полиномы второй степени (рисунки 5.. .7).

Рисунок 5 - Зависимость констант полинома а₀ от состава топливной смеси g_m

Рисунок 6 - Зависимость констант полинома а₁ от состава топливной смеси g_m

Рисунок 7 - Зависимость констант полинома а₂ от состава топливной смеси g_m

Подставив аппроксимации для f(g_m) в уравнение (5), получаем формулу для вычисления значения истинного коэффициента сжимаемости в зависимости от начального давления р_н и состава топливной смеси g_m:

Выводы

Результаты проведенных экспериментов показали, что с увеличением начального давления р_н и доли пальмового масла в смесевом топливе истинный коэффициент сжимаемости в уменьшается. При этом диапазон изменения этой величины с ростом р_н и g_m также уменьшается. Так, при увеличении р_н с 40 до 270 бар в дизельном топливе в уменьшается с 9,924-10^-10 Па^-1 до 7,966-10^-10 Па^-1, или на 19,73%. В чистом пальмовом масле при тех же давлениях в снижается с 6,296-10^-10 Па^-1 до 5,593-10^-10 Па^-1, или на 11,17%. При р_н = 40 бар сжимаемость дизельного топлива и пальмового масла различаются на 36,56%. При р_н = 270 бар - на 29,79%. Указанные различия сжимаемости смесей пальмового масла и дизельного топлива необходимо учитывать при использовании их смесей в качестве топлива. Формула (6) может быть рекомендована для определения с погрешностью менее 5% значения истинного коэффициента сжимаемости в при расчетах процесса впрыскивания топлива в дизельных двигателях, работающих на смесях дизельного топлива с пальмовым маслом.

смесь дизельное топливо пальмовое масло сжимаемость

Библиографический список

1. Бижаев А.В., Симеон А.А. Применение пальмового масла в качестве присадки к топливу тракторных дизельных двигателей // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2017. № 6. С. 41-46.

2. Вязкостные характеристики биотоплив на основе растительных масел / В. А. Марков, С. Н. Девянин, С. А. Зыков [и др.] // Грузовик. 2017. № 3. С. 40-46.

3. Мировые рынки органической масложировой продукции, ориентированные на устойчивое развитие / Н. Д. Аварский, В. В. Таран, Ж. Е. Соколова, Е.А. Силко // Экономика сельскохозяйственных и перерабатывающих предприятий. 2017. № 7. С. 55-63.

4. Перспективы использования пальмового масла в качестве топлива для транспортных дизелей / Э. К. Чибанда, В. М. Славуцкий, А. В. Курапин, Е.А. Салыкин // Ученые записки Крымского инженерно-педагогического университета. 2017. № 4(58). С. 143-148.

5. Расчет и корректировка упругих свойств моторных топлив и других жидкостей / Л. В. Грехов, В. А. Марков, Н. А. Арсенов, Ц. Чжао // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2022. № 7 (748). С. 49-67.

6. Рынок масложировой продукции: отечественная и зарубежная практика / Н. Д. Аварский, С. М. Рыжкова, Х. Н. Гасанова, В. М. Кручинина // АПК: экономика, управление. 2016. № 4. С. 53-59.

7. Сжимаемость пальмового масла и его смесей с дизельным топливом / Э. Ч. Кадиата, В.М. Славуцкий, А. В. Курапин, Е. А. Салыкин // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2018. Т. 22. № 10 (141). С. 178-188.

8. Impact of palm, mustard, waste cooking oil and Calophyllum inophyllum biofuels on performance and emission of CI engine / A. Sanjid, H. H. Masjuki, M. A. Kalam [et al.] // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2013. Vol. 27. P. 664-682.

9. Implementation of Palm biodiesel based on economic aspects, performance, emission, and wear characteristics / H. H. Mosarof, M. A. Kalam, H. H. Masjuki [et al.] // Energy conversion and Management. 2015. № 105. P. 617-629.

10. Methods for calculating fuel heating in electrically controlled injectors of Common Rail diesel systems / J. Zhao, L. Grekhov, D. Onishchenko [et al.] // Fuel. 2021. Vol. 305. art. 121526.

11. Performance and emission characteristics of a diesel engine fueled with palm, jatropha and moringa oil methyl ester / M. M. Rashid [et al.] // Industrial crops and products. 2016. № 79. P. 70-75.

12. Use of palm oil-based biofuel in the international combustion engines: Performances and emissions characteristics / P. Ndayishimiye, Mohamed Tazerout // Energy. 2011. № 361. P. 790-796.

Размещено на Allbest.ru