Влияние смесевого топлива на эксплуатационные показатели дизеля при различных режимах работы А.Н. Карташевич, В.С. Товстыка

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние смесевого топлива на эксплуатационные показатели дизеля при различных режимах работы А.Н. Карташевич, В.С. Товстыка

Введение

Применение альтернативных моторных видов топлива изменяет организацию рабочего процесса дизеля, так как изменяются свойства топлива: цетановое число, плотность, испаряемость, вязкость, низшая расчетная теплота сгорания и др. Поскольку адаптировать новые топлива к существующим моделям дизелей достаточно сложно, целесообразно оценить приспосабливаемость дизелей к альтернативным видам топлив. С этой целью необходимо выявить зависимости показателей работы дизеля от показателей качества топлива. В настоящее время одним из перспективных моторных видов топлива является рапсовое масло и его смеси с дизельным топливом. Опыты по использованию рапсового масла как топлива проводил еще Рудольф Дизель. Рапсовое масло имеет ряд достоинств: оно не токсично и не огнеопасно, не содержит сернистых соединений, является возобновляемым топливом.

1.Основная часть

Практически во всех существующих дизелях, реализующих смесеобразование от объемного до пристеночного, процесс смешения топлива с воздухом является определяющим для обеспечения полного и эффективного сгорания. Горение в дизелях можно в основном охарактеризовать как процесс, регулируемый смешением топлива, так как время, требуемое для этой стадии, больше времени химического реагирования [3, с. 176].

Анализируя процессы смесеобразования, используем относительную оценку его совершенства как условие достижения минимального удельного расхода топлива, а также минимального содержания сажи в ОГ [3].

Известно [3, 4], что любую существующую модель дизеля с присущими ей параметрами смесеобразования, топливоподачи и конструкции можно оценить по степени доведенности рабочего процесса или совершенства смесеобразования, т.е. степени согласования интенсивности вихревого движения заряда, длительности впрыскивания и угла раскрытия топливных струй. В работе [5] предложено для оценки степени доведенности рабочего процесса использовать отношение /_о. Для дизелей с наддувом это соотношение примет вид [3, с. 149]:

,

где - приведенное вихревое отношение,_к - степень повышения давления при наддуве.

При работе на чистом ДТ для дизелей существует частота вращения, при которой удельный расход топлива и содержание сажи в отработавших газах стремятся к минимуму. Так же можно предположить, что на этом режиме и другие токсичные компоненты ОГ будут минимальны. Для этого режима с достаточной степенью точности справедливо выражение [3; 5, с. 149, с. 179]:

1

Из выражения (2) видно, что существует соотношение между скоростью вихревого движения заряда в КС, количеством и степенью испарения топлива, обеспечивающее оптимальное смесеобразование и наименьшие параметры топливной экономичности и токсичности ОГ.

В работе [4] предложено это соотношение характеризовать параметром:

_кс / (m_v / q_ц)_впр,

где _кс - максимальная скорость вихря в КС в ВМТ; m_v - количество испарившегося топлива в момент окончания впрыскивания.

При изменении режима работы дизеля изменяется и значения этого параметра. Однако при переходе на другие частоты вращения должно выполняться условие:

n/ (m_v/q_ц)_впрidem

где (m_v/q_ц)_впр- динамическая испаряемость топлива за время, соответствующее _впр [6, с. 58].

Рассмотренные нами соотношения свидетельствуют о том, что при изменении режима работы дизеля или при переходе его для работы на других видах топлива нарушается оптимальное протекание процессов смесеобразования и сгорания. Достижение минимального значения g_е в этих случаях будет наблюдаться при выполнении условия (4). При этом значение безразмерного параметра n/ i_v,iнужно выбирать для режима, где k>1 [3].

Приведенное вихревое отношение можно определить из выражения, согласно [5]:

= (_кс/_дв)(d_кс /d)²

где d - диаметр цилиндра; d_кс- диаметр камеры сгорания; _дв- рn/30 - угловая частота вращения коленчатого вала двигателя; _кс - максимальная скорость вихря в КС в ВМТ, определяется из выражения [3].

_кс = _ц(d/d_кс)² (d_кс/d)^{(0,047Г ср)0,83} 0,77d^0,05/(1 + г_ост), (6)

где г_ост - коэффициент остаточных газов;Г_ср - циркуляция вектора скорости [3, с. 142].

где _ц - угловая скорость вращения заряда в цилиндре в конце такта впуска.

Параметр _о определяется по формуле [5]:

где _со- приведенное вихревое отношение, соответствующее повороту вихря за время впрыскивания, равное:

_со= 360/(i_coц_впр),

где i_co- число сопловых отверстий штатной форсунки;ц_впр - угол п.к.в., соответствующий впрыскиванию; _г- приведенное вихревое отношение, соответствующее г_е, равное:

_г = 2/рS/dln (90/(180 -г_е)),

где S - ход поршня;г_е - суммарный угол раскрытия топливных струй (в шатре).

Суммарный угол раскрытия топливных струй определяется по формуле [5]

г_е= 180 -90 exp[-d_kc/d(1 + р/2d/s)]. (11)

Результаты расчетов по формулам (4-9) сведем в табл. 1.

Таблица 1.Данные расчета параметров взаимосвязи показателей качества топлива с параметрами рабочего цикла дизеля.

Анализ данных расчета параметра k по выражениям (4-9), приведенных в табл. 1, показывает справедливость зависимости (2). Действительно, значение k наиболее близко к 1 при частоте вращения 1600 мин^-1, что согласуется со стендовыми испытаниями двигателя. При данной частоте вращения удельный расход топлива минимален и низкие значения выбросов токсичных компонентов.

Перевод дизеля на работу на смесевые топлива на основе РМ будет сопровождаться неизбежным нарушением оптимального процесса смесеобразования.

В работе [5] показано, что уменьшение испаряемости топлива при утяжелении его фракционного состава позволяет повысить потребную скорость движения воздушного заряда.

Согласно [7], изменение удельного расхода топлива по скоростной характеристике меняется в зависимости от испаряемости топлива примерно в соответствии с выражением:

_ксi_v,i ?idеm,

где i_v,i m_v,i / q_ц- доля испарившегося топлива за ПЗВ (динамическая испаряемость топлива) [6, с. 58].

Минимум удельного расхода топлива по скоростной характеристике с утяжелением фракционного состава топлива смещается в сторону больших частот вращения.

Согласно [3, с. 233] динамическая испаряемость дизельного топлива i_v,i.дт=0,68. Оценить сравнительную испаряемость смесевого топлива на основе рапсового масла и дизельного топлива можно по изменению температуры выкипания 50% топлива по кривой разгонки [3, с. 233]:

,

где i_v,i,ДТ, i_v,i,см - динамическая испаряемость дизельного и смесевого видов топлива;Т_50,ДТ, Т_50,см - температуры выкипания 50% дизельного и смесевого видов топлива.

Преобразуя выражение (13), получим формулу для расчета динамической испаряемости смесевых топлив на основе рапсового масла:

.

В работе [3] показано, что при переходе дизеля для работы с ДТ на топливо с другим фракционным составом условие достижения минимального удельного расхода топлива выражается зависимостью вида:

i_v,in/_о = idеm

Однако изменение рабочего цикла дизеля с целью снижения удельного расхода топлива обычно приводит к уменьшению содержания в ОГ сажи (твердых частиц) и СО [1, с. 200]. Поэтому выполнение выражения (15) при переходе дизеля на топливо с другим фракционным составом будет также являться условием достижения минимального значения экологических показателей работы дизеля.

Выражение (15) не позволяет достоверно оценивать изменение эксплуатационных показателей работы дизеля по нагрузочным характеристикам. Для того чтобы иметь возможность оценить влияние нагрузки на двигатель при одинаковой частоте вращения, в формулу (15) необходимо ввести показатель значения крутящего момента на валу дизеля М_кр. С уменьшением нагрузки на двигатель снижается цикловая подача топлива, следовательно, уменьшается среднее давление впрыска форсункой, что приводит к снижению качества распыла топлива, и соответственно будет требоваться повышение интенсивности вихревого движения в цилиндре двигателя. В связи с этим предположим, что при переходе дизеля для работы с ДТ на топливо с другим фракционным составом условие достижения минимального удельного расхода топлива и низких значений токсичных компонентов выражается зависимостью вида

N=i_v,inМ_кр/_о= idеm

Произведем расчет по формуле (16) на режимах 8 ступенчатого испытательного цикла правил ЕЭК ООН №96 и при частоте вращения 1600 мин^-1 по внешней скоростной характеристике для ДТ и смесевых топлив с содержанием РМ 10%, 20%, 30% и 40% (табл. 2).

Таблица 2.Данные расчета параметра N на режимах 8 ступенчатого испытательного цикла

Данные расчетов показывают, что при работе дизеля на смесевом топливе, состоящем из 40% РМ и 60% ДТ, значение параметра N при расчете формулой (16) составляет 391665 при работе дизеля на номинальном режиме и 396306 при частоте вращения 1600 мин^-1 по внешней скоростной характеристике. При n=1800 мин^-1 и снижении нагрузки до 10% от номинального значения показатель N уменьшается до 27649. Повысить значение и тем самым улучшить смесеобразование можно, увеличив динамическую испаряемость топлива, т.е. переведя дизель с работы на смесевом топливе на чистое ДТ, при этом показатель N будет составлять 31809.

Из формулы (16) следует, что при работе дизеля на смесевых видах топлива на основе РМ для сохранения параметров работы дизеля на высоком уровне при уменьшении нагрузки и частоты вращения коленчатого вала дизеля необходимо уменьшить концентрацию РМ в смесевом топливе (динамическая испаряемость топлива i_v,i будет снижаться).

Для подтверждения теоретических исследований была разработана и изготовлена система регулирования состава смесевого топлива на основе рапсового масла [8] и проведены ее моторные испытания на дизеле Д-245.5.С2, по результатам которых мы получили характеристику распределения состава смесевого топлива в зависимости от режима работы дизеля (рис. 1). Максимально возможное количество рапсового масла в смесевом топливе было ограничено на уровне 40% из условия сохранения долговечности работы топливной аппаратуры и самого дизеля.

Рис. 1. Распределение состава смесевого топлива дизеля Д-245.5С2 при работе с системой регулирования в зависимости от частоты вращения и нагрузки.

моторный топливо масло

Предложенная система регулирования позволяет снизить выбросы вредных веществ с отработавшими газами (ОГ). Так, количество сажи в ОГ при установке разработанного устройства снижается на 38,3% (0,371 г/кВт•ч против 0,229 г/кВт•ч) по сравнению с работой двигателя на чистом ДТ. При сравнении работы дизеля на смеси, состоящей из 60% ДТ и 40% РМ, с работой дизеля, оборудованного системой регулирования, мы наблюдаем снижение выбросов сажи на 2,1% (0,234 г/кВт•ч против 0,229 г/кВт•ч). Выбросы оксида углерода снижаются на 13,8% (2,626 г/кВт•ч против 2,264 г/кВт•ч) при сравнении работы двигателя на чистом ДТ и с устройством регулирования состава смесевого топлива (СТ) и на 3,5% (2,346 г/кВт•ч против 2,264 г/кВт•ч) при сравнении устройства регулирования с смесевым топливом, состоящем из 60% ДТ и 40% РМ. Установка устройства на двигатель снижает выбросы оксидов азота. Так, по сравнению с работой на смесевом топливе, содержащем 40% РМ, устройство позволяет уменьшить выбросы NO_x на 2,8% (6,575 г/кВт•ч против 6,392 г/кВт•ч), однако по сравнению с дизельным процессом выбросы увеличиваются на 0,5% (6,359 г/кВт•ч против 6,392 г/кВт•ч).

Заключение

1. Приводится аналитическая зависимость, позволяющая обосновать необходимость изменения концентрации рапсового масла в смесевом топливе в зависимости от режима работы дизеля и связывающая динамическую испаряемость топлива с приведенным вихревым отношением, частотой вращения и крутящим моментом дизеля.

2. Разработана и изготовлена система регулирования состава смесевого топлива на основе рапсового масла, позволяющая изменять концентрацию масла в смеси в зависимости от режима работы двигателя. Экспериментальные исследования системы на моторном стенде показали снижение выбросов сажи на 38,3% и оксида углерода на 13,8%, выбросы оксидов азота по сравнению с дизельным процессом увеличились на 0,5%.

Литература

1. Карташевич, А.Н. Возобновляемые источники энергии: науч.-практ. пособие / А.Н. Карташевич, В.С. Товстыка. Горки: БГСХА, 2007. 264 с.

2. Карташевич, А.Н. Анализ некоторых свойств смесевых видов автотракторных дизельных топлив на основе рапсового масла / В.С. Товстыка,И.Д. Кузьмич // Вестник Белорусской государственной сельскохозяйственной академии. Горки. 2009. №1. С. 133-138.

3. Камфер, Г.М. Научные основы эффективного применения топлив различного состава в автотракторных дизелях: дис. ... д-ра техн. наук: 05.04.02 / Г.М. Камфер. М., 2004. С. 369.

4. Камфер, Г.М. Сравнительный анализ процессов испарения в дизелях с различными способами смесеобразования / Г.М. Камфер //Двигателестроение. 1985. С. 3-7.

5. Камфер, Г.М. Комплексный показатель смесеобразования для дизелей с камерой в поршне / Г.М. Камфер // Двигателестроение. 1986. №4. С. 1-6.

6. Камфер, Г.М. Математическое моделирование процесса сгорания спиртосодержащего топлива в дизеле / Г.М. Камфер, С.А. Плотников. Киров: Авангард, 2005. 106 с.

7. Эфрос, В.В.Дизели с воздушным охлаждением Владимирского тракторного завода / В.В. Эфрос [и др.]. М.: Машиностроение, 1976. 277 c.

8. Система регулирования состава смесевого топлива для дизельного двигателя с наддувом: пат. на полезную модель №6626 / А.Н. Карташевич, В.С. Товстыка; заявитель и патентообладатель Белорусская государственная сельскохозяйственная академия. Зарегистрирована в государственном реестре полезных моделей 29.06.2010; опубл.: 30.10.2010 // Афiцыйны бюлетэнь: Вынаходнiцтвы. Карысныя мадэлi. Прамысловыя узоры. Минск: Дзяржа?ны патэнтны камiтэт Рэспублiкi Беларусь, 2010. №5.

Размещено на Allbest.ru