Метод улучшения качества распыливания топлива в дизеле, работающем на смесевом биотопливе

Метод улучшения качества распиливания топлива в дизеле, работающем на смесевом биотопливе

В.А. Марков,

профессор МГТУ им. Н.Э. Баумана, д.т.н.,

A.В. Стремяков,

аспирант МГТУ им. Н.Э. Баумана,

B.С. Акимов,

студент МГТУ им. Н.Э. Баумана, В.А. Шумовский,

студент МГТУ им. Н.Э. Баумана

Предложена конструкция опытного распылителя форсунки, обеспечивающего улучшение показателей впрыскивания и распыливания топлива. Проведены расчетные исследования топливоподачи дизеля, оснащенного серийными и опытными распылителями. Представлены результаты экспериментальных исследований дизеля типа Д-245.12С с серийными и опытными распылителями. Дизель работал на дизельном топливе и смеси 93 % дизельного топлива и 7 % метилового эфира рапсового масла.

Ключевые слова: дизельный двигатель, дизельное топливо, метиловый эфир рапсового масла (МЭРМ), смесевое биотопливо, форсунка, распылитель, распыливание топлива.

A Method of Improving Fuel Spray Process Quality in a Diesel Engine Running on Mixture Biofuel

V.A. Markov, A.V. Stremyakov, V.S. Akimov, V.A. Shumovsky

A tested sprayer design offering better characteristics of fuel supply and injection processes is presented. Computational analysis of fuel supply process in the diesel engine equipped with standard and tested sprayers is carried out. The results of experimental research on the D-245.12G diesel engine with standard and tested sprayers are demonstrated. The diesel engine was running on diesel fuel and the mixture of 93% diesel fuel and 7% rapeseed oil methyl ester.

Keyword: diesel engine, diesel fuel, rapeseed oil methyl ester, mixed biofuel, injector, sprayer, spraying.

При адаптации двигателей внутреннего сгорания к работе на различных альтернативных топливах возникает несоответствие их физико-химических свойств свойствам штатных нефтяных топлив. В частности, биотоплива на основе растительных масел, все шире используемые

в дизельных двигателях, отличаются от нефтяного дизельного топлива более тяжелым фракционным составом, повышенными плотностью, вязкостью и коэффициентом поверхностного натяжения.

Это приводит к заметному ухудшению качества распыливания топлива

и смесеобразования, недостаточно полному сгоранию топлива, ухудшению показателей топливной экономичности и токсичности отработавших газов (ОГ) [1]. Поэтому одной из первоочередных задач при адаптации дизелей к работе с использованием биотоплив на основе растительных масел является улучшение качества распыливания топлива.

Качество впрыскивания и распыливания топлива предопределяется параметрами и конструктивными особенностями системы топливопо-дачи дизеля. Одним из основных элементов этой системы является распылитель форсунки, формирующий струи требуемых геометрических размеров, структуры, с необходимыми показателями мелкости распыливания топлива. При этом характеристики струй распыливаемого топлива - длина I, ширина В и угол конуса в струи, направление и динамика ее распространения (рис. 1а) - должны быть согласованы с формой камеры сгорания (КС) для равномерного распределения топлива по объему КС.

В ряде работ показано, что для высокого качества распыливания топлива и последующего смесеобразования желательна высокая турбу-лизация потока топлива в проточной части распылителя форсунки [2, 3]. Подобное состояние потока топлива на выходе из распыливающих отверстий приводит к турбулизации струи распыливаемого топлива, ее быстрому распаду в КС дизеля и улучшению показателей распыливания и смесеобразования. Обычно турбулизация потока топлива в проточной части распылителя форсунки достигается за счет распыливающих отверстий с дополнительными гидравлическими сопротивлениями: повышенной шероховатостью и наличием острых кромок на их входе и выходе. Известны и другие способы турбулизация потока топлива: винтовые канавки в распыливающих отверстиях, распылители с перекрещивающимися рас-пыливающими отверстиями, канавки на выходе из распыливающих отверстий и т.д. [4-8]. Но изготовление таких турбулизаторов технологически

НИ ЙЯЯЯЯ Л Ф «О» J^tefet Щ фЩ

«Транспорт на альтернативном топливе» № 2 (20) март 2011 г.

Рис. 1. Схема распылителя форсунки и геометрические характеристики струи распыливаемого топлива (а), конструктивные схемы носка иглы серийного (б) и опытного (в) распылителей: - эффективное сечение щели между запорными конусами иглы и седла; - эффективное сечение сопловых отверстий

достаточно сложно ввиду малого диаметра распыливающих отверстий и их большого числа. В современных системах топливоподачи их число достигает 20 и более [9]. Кроме того, рас-пыливающие отверстия подвержены закоксовыванию. Более простым способом увеличения потока топлива в проточной части распылителя форсунки являются дополнительные гидравлические сопротивления на хвостовике распылителя форсунки [10, 11].

Для определения рациональной формы дополнительных гидравлических сопротивлений на хвостовике распылителя форсунки изготовлено несколько опытных распылителей на базе серийного типа 145.1112110-11 производства Ногинского завода топливной аппаратуры (НЗТА). Базовый распылитель используется в форсунках ФДМ-22 дизельных двигателей типа Д-245.12С производства Минского моторного завода (ММЗ). Эти двигатели устанавливаются на автомобили ЗИЛ-5301 «Бычок», тракторы «Беларусь», автобусы Павловского автобусного завода (ПАЗ).

У серийного распылителя 145.1112110-11 с пятью распылива-ющими отверстиями диаметром 0р=0,32 мм, входные кромки которых расположены в колодце распылителя диаметром 0к=1,2 мм (см. рис. 1, табл. 1), суммарная эффективная площадь составляет цр/р=0,278 мм2.

У серийного распылителя с диаметром иглы 0и=5,0 мм (по направляющей) максимальный ход иглы составляет ^и=0,2б мм. Хвостовик распылителя имеет три конусных участка с различными углами, равными 45, 60 и 90°. Посадка иглы на седло распылителя осуществляется по диаметру 0п=2,8 мм, расположенному на участке с углом конуса 60° (на рис. 16 этот диаметр обозначен звездочкой *).

Среди опытных распылителей наилучшие показатели топливной экономичности и токсичности ОГ обеспечил распылитель, представленный на рис. 2е. При его изготовлении подрезана часть хвостовика иглы серийного распылителя, расположенная ниже посадочного диаметра 0 =2,8 мм, под

Таблица 1

Расположение распыливающих отверстий распылителя типа 145.1112110-11

Номер отверстия Угловое расположение отверстия относительно штифта, градус Угол наклона отверстия относительно оси распылителя, градус

1 8 62

2 90 71,5

3 172 62

4 237 52

5 303 52

углом конуса 90°. При этом топливо, протекающее через дросселирующее сечение далее расширяется более интенсивно, чем в серийном распылителе, в котором ниже посадочного диаметра 0п=2,8 мм хвостовик имеет конусную часть с углом конуса 60°. Конусная часть хвостовика иглы с углом конуса 45° сточена на 0,1 мм (по диаметру) выше диаметра 0=3,2 мм с таким же углом конуса (45°). В результате на хвостовике иглы образуется горизонтальный кольцевой уступ с наружным и внутренним диаметрами 3,2 и 3,1 мм, являющийся местным гидравлическим сопротивлением.

Для оценки влияния созданных местных гидравлических сопротивлений на параметры потока и его турбулизацию в проточной части распылителя форсунки был проведен численный эксперимент с моделированием течения в проточной части серийного и опытного распылителей. Расчет проводился в программном комплексе Аг^ CFX 11.0, математическая модель которого содержит уравнения в частных производных, описывающих поток топлива в проточной части распылителя - уравнения неразрывности, количества движения Навье-Стокса, энергии и диффузии, а также уравнения модели турбулентности. Для оценки степени турбулизации потока использовалась величина турбулентной кинетической энергии (удельная кинетическая энергия вихрей в турбулентном потоке) к, которая физически

Рис. 2. Расчетная схема проточной части распылителей форсунки

«Транспорт на альтернативном топливе» № 2 (20) март 2011 г. Щ j^^ita» ЧЩ& ФЪ ВШВ iSBSSSS

характеризуется среднеквадратичес-кой флуктуацией (пульсацией) скорости:

1с =

и2+У2+\У2

где и, V, 1/К - среднеквадратические проекции пульсационной составляющей скорости на оси х, у, г.

При расчетах исследован стационарный поток дизельного топлива в распылителях. В качестве расчетной области выбрана проточная часть между хвостовиком иглы и седлом распылителя при максимально поднятой игле (рис. 2). Для уменьшения продолжительности расчета используется четверть расчетной области, при этом на границах заданы условия симметрии. Давление топлива на входе в расчетную область принято равным 51,5 МПа, что примерно соответствует максимальному давлению впрыскивания, обеспечиваемому разделенной системой топливоподачи дизеля типа Д-245.12С на номинальном режиме (при частоте вращения коленчатого вала п=2400 мин-1 и цикловой подаче топлива дц=80 мм3). Расход топлива через распылитель принят равным 0,08 кг/с, что соответствует максимальному расходу топлива через форсунку дизеля типа Д-245.12С на указанном номинальном режиме.

Расчетная схема опытного распылителя имеет вид, аналогичный приведенному на рис. 2, при этом граничные условия оставлены неизменными. Для уточнения расчета в области кольцевого уступа сгенерирована более мелкая сетка конечных элементов.

Картина течения (распределение скоростей потока топлива) в проточных частях исследованных распылителей (рис. 3) достаточно предсказуема. По наглядным визуализациям линий тока можно констатировать, что у опытного распылителя в районе кольцевого уступа наблюдается явный отрыв потока, тогда как в проточной части серийного образца течение является безотрывным.

Несмотря на то, что созданное в опытном варианте местное сопротивление, безусловно, увеличивает гидравлические потери, это не приводит

к уменьшению давления на выходе расчетной области (давление впрыскивания). Более того, увеличение сечений проточной части опытного распылителя ниже и выше уступа приводит к увеличению давления на выходе из расчетной области данного распылителя. У серийного распылителя это давление р=46,8 МПа, а у опытного - р=47,6 МПа (рис. 4).

Наибольший интерес с точки зрения турбулизации потока топлива представляет картина распределения турбулентной кинетической энергии в проточных частях распылителей форсунки (рис. 5). Максимальные значения турбулентной кинетической энергии к зафиксированы в области отрыва потока под кольцевым уступом опытного распылителя. В этой

области турбулентная кинетическая энергия потока топлива достигала значения ^=265 м2/с2 (см. рис 5б). Средние по сечению значения турбулентной кинетической энергии, полученные на выходе расчетной области опытного распылителя, примерно в 2 раза больше, чем у серийного (рис. 6). Также следует заметить, что большие значения энергии в случае с опытным распылителем не имеют столь строгого локального характера, как у серийного образца (около стенки после поворота потока в колодец), а гораздо более равномерно распределены по сечению, что вызвано наличием местного гидравлического сопротивления.

Значения турбулентной кинетической энергии в одной и той же

ЯЕЗВ

Ч1Г

точке на выходе из расчетной области (точка внизу расчетной области, см. рис. 5) для серийного и опытного распылителей были равны соответственно 10,5 и 16,3 м2/с2, а разница в средних по выходному сечению значениях турбулентной кинетической энергии оказалась еще большей в пользу опытного распылителя (см. рис. 6).

Обобщая изложенное, следует отметить, что по степени турбулизации потока топлива и показателям процесса топливоподачи опытный распылитель имеет ряд преимуществ в сравнении с серийным. Помимо того, что его использование приводит к повышению давления впрыскивания топлива, увеличивается и турбули-зация потока (турбулентная кинетическая энергия). Высокая турбулентность потока топлива на выходе из расчетной области проточной части

опытного распылителя приводит к интенсификации распыливания, быстрому распаду струи в КС дизеля и улучшению показателей смесеобразования.

В связи с увеличением давления впрыскивания и большей турбули-зацией потока топлива на выходе из расчетной области можно предположить, что использование опытных распылителей позволит улучшить качество распыливания топлива и смесеобразования в дизеле, работающем на биотопливах на основе растительных масел, повысить полноту сгорания топлива, улучшить показатели топливной экономичности и токсичности ОГ.

Для оценки эффективности использования опытных распылителей в двигателях, работающих на указанных биотопливах, проведены

Рис. 6. Распределение турбулентной кинетической энергии в сечении потока на выходе из расчетной области (в колодце распылителя) проточных частей распылителей форсунки: а - серийный распылитель; б - опытный распылитель

экспериментальные исследования дизеля типа Д-245.12С (4 ЧН 11/12,5), устанавливаемого на малотоннажные грузовые автомобили ЗИЛ-5301 «Бычок» (табл. 2).

Дизель исследован на моторном стенде АМО «ЗИЛ» на режимах внешней скоростной характеристики и 13-ступенчатого испытательного цикла Правил 49 ЕЭК ООН с установочным углом опережения впрыскивания топлива (УОВТ) 0=13° поворота коленчатого вала до верхней мертвой точки (п.к.в. до ВМТ) и неизменным положением упора максимальной подачи топлива. Стенд был оборудован комплектом необходимой измерительной аппаратуры. Дымность ОГ измерялась с помощью ручного ды-момера МК-3 фирмы Наг^де (Великобритания) с погрешностью измерения ± 1%. Концентрации Шх, СО, СНх в ОГ определялись газоанализатором БАЕ-7532 фирмы Yanaco (Япония) с погрешностями измерения указанных компонентов ± 1 %.

На первом предварительном этапе исследований дизеля Д-245.12С с серийными и опытными распылителями использовалось товарное дизельное топливо (ДТ). На втором этапе исследований дизель работал на смеси 93 % ДТ и 7 % метилового эфира рапсового масла (табл. 3).

Испытания на режимах внешней скоростной характеристики показали, что при переводе дизеля Д-245.12С, оснащенного серийными распылителями, с ДТ на смесь 93 % ДТ и 7 % МЭРМ часовой расход топлива бт, коэффициент избытка воздуха а, крутящий момент Ме, эффективная мощность Ме и удельный эффективный расход топлива де изменялись сравнительно слабо (табл. 4). Но при этом снижалась дымность ОГ.

Оснащение исследуемого дизеля, работающего на смеси 93 % ДТ и 7 % МЭРМ, опытными распылителями приводило к заметному увеличению часового расхода топлива бт, особенно на режимах с высокой частотой вращения коленчатого вала (при п>1600 мин-1). Видимо, это вызвано увеличенной суммарной эффективной площадью распылителя в сборе

цр/р у опытных распылителей, полученных путем описанной выше до-обработки серийных распылителей, исходно имеющих цр/р=0,278 мм2. В результате указанного увеличения часового расхода топлива Gт использование опытных распылителей сопровождалось увеличением крутящего момента Ме и эффективной мощности N и снижением коэффициента избытка воздуха а. Но несмотря на пониженные значения а на режимах с высокой частотой вращения (при п>1600 мин-1) опытные распылители обеспечивали меньшие удельный эффективный расход топлива де и дымность ОГ Кх. Так, при работе исследуемого дизеля на смеси 93 % ДТ и 7 % МЭРМ на номинальном режиме при п=2400 мин-1 замена серийных распылителей опытными по варианту № 3 приводила к снижению удельного эффективного расхода топлива де от 257,2 до 248,5 г/(кВт^ч), то есть на 3,4 %, и дымности ОГ Кх - от 15 до 10 % по шкале Хартриджа, то есть на 33,3 %.

По результатам экспериментальных исследований дизеля на режимах 13-ступенчатого испытательного цикла ЕСЕ Р49 рассчитаны интегральные удельные массовые выбросы токсичных компонентов. Определены также условный средний эффективный расход топлив и соответствующий ему условный средний эффективный КПД (табл. 5) по методике, изложенной в работе [1].

Данные табл. 5 свидетельствуют о том, что одновременная установка опытных распылителей и использование смесевого биотоплива, содержащего 93 % ДТ и 7 % МЭРМ, позволяют значительно улучшить показатели токсичности ОГ. Так, удельный массовый выброс монооксида углерода есо снизился на 30,2 %. При этом удельный массовый выброс несгоревших углеводородов есНх уменьшился на 33,9 %. Дымность ОГ на режиме максимальной мощности при п=2400 мин-1 снизилась на 37,5 %, а на режиме максимального крутящего момента при п=1500 мин-1 - на 12,5 %. Условный средний эффективный КПД дизеля п на режимах 13-ступенчатого

'е усл 1 '

Таблица 2

Технические характеристики дизеля Д-245.12С

Параметры Значение

Двигатель Четырехтактный, рядный, дизельный

Число цилиндров 4

Диаметр цилиндра, мм 110

Ход поршня, мм 125

Рабочий объем цилиндра, л 1,08

Степень сжатия 16,0

Система турбонаддува Турбокомпрессор ТКР-6 Борисовского завода автоагрегатов

Камера сгорания Типа ЦНИДИ

Способ смесеобразования Объемно-пленочное

Номинальная частота вращения п, мин1 2400

Номинальная мощность, кВт 80

Механизм газораспределения Клапанного типа с верхним расположением клапанов

Система охлаждения Водяная, принудительная

Система смазки Принудительная, с разбрызгиванием

Фильтр масляный Сетчатый

Насос масляный Шестеренчатый

Система питания Разделенного типа

Топливный насос высокого давления (ТНВД) Рядный типа РР4М101Ш (фирма 1Шогра1) с всережимным центробежным регулятором

Диаметр плунжеров ТНВД, мм 10

Ход плунжеров ТНВД, мм 10

Длина нагнетательных топливопроводов, мм 540

Форсунки Тип ФДМ-22

Давление начала впрыскивания, МПа 21,5

Таблица 3

Физико-химические свойства топлив

Физико-химические свойства Топливо

ДТ МЭРМ 93 % ДТ + 7 % МЭРМ

Плотность при 20 °С, кг/м3 830 877 833,3

Кинематическая вязкость при 20 °С, м2/с 3,8 8,0 4,7

Коэффициент поверхностного натяжения при 20 °С, мН/м 27,1 30,7 -

Теплота сгорания низшая, МДж/кг 42,5 37,8 42,17

Цетановое число 45 48 -

Температура, °С самовоспламенения помутнения застывания 250 -25 -35 230 -13 -21 -

Количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг вещества, кг 14,3 12,6 14,2

Массовая доля, % С Н О 87,0 12,6 0,4 77,6 12,2 10,2 86,4 12,6 1,0

Массовая доля серы, % 0,20 0,002 0,19

Коксуемость 10%-ного остатка, % по массе 0,2 0,3 -

Примечание: «-» - свойства не определялись.

Таблица 4

Показатели дизеля Д-245.12С с различными распылителями при работе на различных топливах на режимах максимальной мощности и максимального крутящего момента

Распылитель, вид топлива

Показатели дизеля Серийный распылитель, ДТ Серийный распылитель, смесь 93 % ДТ + 7 % МЭРМ Опытный распылитель № 3, смесь 93 % ДТ + 7 % МЭРМ

Часовой расход топлива, кг/ч на режиме максимальной мощности на режиме максимального крутящего момента 17,42 12,25 17,55 12,50 19,69 12,58

Крутящий момент дизеля, Н^м на режиме максимальной мощности на режиме максимального крутящего момента 271 355 272 360 315 359

Коэффициент избытка воздуха а на режиме максимальной мощности на режиме максимального крутящего момента 2,28 1,67 2,27 1,66 2,08 1,64

Удельный эффективный расход топлива, г/(кВт^ч) на режиме максимальной мощности на режиме максимального крутящего момента 255,5 219,7 257,2 221,1 248,5 223,2

Эффективный КПД дизеля на режиме максимальной мощности на режиме максимального крутящего момента 0,332 0,386 0,332 0,386 0,344 0,383

Дымность ОГ, % по шкале Хартриджа на режиме максимальной мощности на режиме максимального крутящего момента 16,0 28,0 15,0 24,0 10,0 24,5

Таблица 5

Параметры работы дизеля Д-245.12С на режимах 13-ступенчатого испытательного цикла при установке различных распылителей, использовании дизельного топлива и смесевого биотоплива

Распылитель, Условный удельный эффективный расход Условный удельный эффективный КПД Удельные массовые выбросы токсичных компонентов ОГ, г/

топливо топлива ge усл, г/(кВт^ч) ^е усл NOx есо еснх

Серийный распылитель, ДТ 248,12 0,341 6,610 3,612 1,638

Серийный распылитель, смесь 93 % ДТ + 7 % 1У1ЭРМ 241,98 0,353 6,470 3,027 1,409

Опытный распылитель, смесь 93 % ДТ + 7 % 1У1ЭРМ 242,70 0,352 7,121 2,522 1,083

испытательного цикла увеличился на 3,2 %. И лишь выброс оксидов азота еМОх вырос на 7,7 %. Однако такое увеличение эмиссии оксидов азота может быть легко компенсировано оптимизацией (уменьшением) УОВТ 0, значения которого сильно влияют на величину еМОх и в значительно меньшей степени на другие показатели токсичности ОГ. В частности, по данным работы [12] уменьшение УОВТ 0 на 1° п.к.в. в сторону запаздывания в одной из модификаций дизеля Д-245 приводит к снижению выброса оксидов азота еМОх примерно на 1 г/(кВт^ч).

В целом, проведенные исследования показали эффективность использования опытных распылителей в дизеле, работающем на смесевом биотопливе.

Литература

1. Девянин С.Н., Марков В.А., Семенов В.Г. Растительные масла и топлива на их основе для дизельных двигателей. М.: изд-во МГАУ им. В.П. Горячкина, 2008. - 340 с.

2. Марков В.А., Девянин С.Н., Мальчук В.И. Впрыскивание и распыливание топлива в дизелях. М.: изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2007. - 360 с.

3. Кутовой В.А. Впрыск топлива в дизелях. М.: Машиностроение, 1981. - 119 с.

4. Bae C., Yu J., Kang J., Kong J., Lee K.O. Effect on Nozzle Geometry on the Common-Rail Diesel Spray // SAE Technical Paper Series. - 2002. - № 2002-01-1625.

5. Goney K.H., Corradini M.L. Isolated Effects of Ambient Pressure, Nozzle Cavitation and Hole Inlet Geometry on Diesel Injection Spray Characteristics // SAE Technical Paper Series. - 2000. - № 2000-01-2043.

6. Лышевский А.С. Системы питания дизелей. М.: Машиностроение, 1981. - 216 с.

7. Мальчук В.И. Методы совершенствования распыливания топлива в быстроходном дизеле // В сб.: «Поршневые двигатели и топлива в XXI веке». М.: изд-во МАДИ (ТУ). - 2003. - С. 30-36.

8. Совершенствование процесса распыливания топлива и смесеобразования дизеля / В.А. Марков, А.А. Зенин, А.А. Ефанов и др. // Техника и технология. - 2009. - № 4. - С. 9-17.

9. Грехов Л.В., Иващенко Н.А., Марков В.А. Системы топливоподачи и управления дизелей: учеб. для вузов. - М.: изд-во «Легион-Автодата», 2005. - 344 с.

10. Марков В.А., Стремяков А.В., Поздняков Е.Ф. Усовершенствование распылителя форсунки дизеля // Автомобильная промышленность. - 2010. - № 5. - С. 11-15.

11. Марков В.А., Стремяков А.В., Мизев К.С., Девянин С.Н., Поздняков Е.Ф. Метод улучшения качества процессов распыливания топлива и смесеобразования дизеля: сб. науч. тр. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. - С. 230-234.

12. Улучшение экологических показателей транспортных дизелей путем управления процессом топливоподачи / А.Г. Кузнецов, В.А. Марков, В.Л. Трифонов и др. // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. М.: Машиностроение, 2000. - № 2. - С. 62-75.