Улучшение эксплуатационных показателей тракторного дизеля Д-240 путем применения этаноло-топливной эмульсии

УДК 621.436

В.А. Лиханов, д-р техн. наук, профессор; О.П. Лопатин, канд. техн. наук, доцент, ФГБОУ ВПО Вятская ГСХА

УЛУЧШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТРАКТОРНОГО ДИЗЕЛЯ Д-240 ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ ЭТАНОЛО-ТОПЛИВНОЙ ЭМУЛЬСИИ

Введение. Экологические требования к современному автомобилю являются в настоящее время приоритетными. Материальный ущерб, вызываемый загрязнением воздуха, трудно оценить, однако, даже по неполным данным, он достаточно велик. За последние десятилетия человечество окончательно убедилось, что первым виновником загрязнения атмосферного воздуха является автомобиль. Его «вклад» в загрязнение окружающей среды, в основном атмосферы, достигает 60-90%.

Методика. Исследования проводились с целью определения и оптимизации основных параметров работы дизеля при работе на дизельном топливе (ДТ) и ЭТЭ. Проведенные испытания показали, что дизель устойчиво работает на ЭТЭ при соотношении на номинальном режиме: этанол - 25%; вода - 7%; ДТ - 67,5%; С-5А - 0,5%.

Для исследования особенностей протека-

ния процесса сгорания топлива в дизеле 4Ч 11,0/12,5 при работе дизеля на ЭТЭ проводилось индицирование процесса сгорания на номинальном скоростном режиме при частоте вращения п = 2200 мин -1 и на режиме максимального крутящего момента при частоте вращения п = 1700 мин -1. Значения нагрузки при работе дизеля на ЭТЭ устанавливались такими же, как и при работе дизеля на ДТ, чем обеспечивалось поддержание одинаковых значений среднего эффективного давления при работе дизеля на ЭТЭ и ДТ, что было необходимо для сравнения этих двух процессов.

Результаты. Нагрузочные характеристики изменения эффективных показателей дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе дизеля на ДТ и на ЭТЭ на оптимальных значениях установочных УОВТ, на номинальной частоте вращения (п = 2200 мин -1) и на частоте вращения максимального крутящего момента (п = 1700 мин -1) представлены на рис. 1.

бд ,КГМ 260 250 240

1Г. "С 500 400 300 200

де.

Г/

440

400

360

320

280

240

200

-Д —ГТ *у е„: - — — -- —

\ N

а -Ч. \

ЧІ 1г

ч. " с —-

г=-

£

-- с 'дтп 5ИЄ

- ---

\ --"г ” — - — {— , \

V N Че

\ ч V реД.

— Тир Ч 3 ІВ

•

0,1 0,2 0,3 0 А о ,5 ,6 с .7 р„

N,1 ,кВт

50

45

40

35

а

3.0 2,5

2.0 ,кг?ч

10

8

6

4

Пе

0,30

0,20

0,10

МПа

а)

б)

Рис. 1.Влияние применения ЭТЭ на эффективные показатели дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения нагрузки: а) - п = 2200 мин -1;б) - п = 1700 мин -1;-дизельный процесс, - -

ЭТЭ

Проводя сравнительный анализ работы дизеля на ДТ и ЭТЭ на номинальной частоте вращения (п = 2200 мин -1, ре = 0,64 МПа), можно отметить следующие особенности. При работе дизеля на ЭТЭ мощностные показатели дизеля полностью сохраняются. Приведенный часовой расход дизельного топлива ОТ при работе дизеля на ЭТЭ меньше, чем при работе дизеля на ДТ во всем диапазоне изменения нагрузки. Так, при п = 2200 мин -1,

ре = 0,64 МПа часовой расход топлива От при переходе на ЭТЭ снижается с 13,4 кг/ч до 11,0 кг/ч или на 10,5%.

Так как расход ДТ при работе дизеля на ЭТЭ составляет 11,0 кг/ч, т.е. 82 % от расхода топлива при работе только на ДТ при п = 2200 мин -1, ре = 0,64 МПа, то экономия ДТ при переходе на ЭТЭ в этом случае составляет 18 %. Значения приведенного суммарного удельного расхода ge при работе дизеля на ЭТЭ во всем диапазоне изменения нагрузки ниже, чем ge при работе дизеля на ДТ. Значение эффективного к.п.д. пе при работе дизеля на ЭТЭ во всем диапазоне изменения нагрузки меньше, чем при работе дизеля на ДТ. При п = 2200 мин -1 ре = 0,13 МПа значение пе снижается с 0,18 до 0,14, а при нагрузке, соответствующей ре = 0,69 Мпа, снижается с 0,34 до 0,30. Но можно отметить, что при работе дизеля на ПГ, к.п.д. остается достаточно высоким. Часовой расход воздуха при переходе на N0

ЭТЭ во всем диапазоне изменения нагрузки ниже, чем при работе дизеля на ДТ. При n = 2200 мин ", ре = 0,64 МПа GB снижается с 325 кг/ч до 315 кг/ч или на 9,8 %. Подача ЭТЭ таким же образом влияет на коэффициент избытка воздуха а. Так, при переходе на ЭТЭ при n = 2200 мин -1, ре = 0,13 МПа значение а снижается с 4,50 до 3,55, а при n = 2200 мин -1, ре = 0,64 МПа - с 1,70 до 1,55.

При переходе на ЭТЭ на малых нагрузках происходит увеличение, а на больших нагрузках - уменьшение температуры ОГ. Так, при n = 2200 мин -1, ре = 0,13 МПа значение увеличивается с 220°С до 250°С, при нагрузке ре = 0,34 МПа значение равны и составляют 318°С, а при n = 2200 мин -1, ре = 0,64 МПа происходит уменьшение значения с 550°С до 520°С.

Нагрузочные характеристики изменения содержания токсичных компонентов в ОГ дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе дизеля на ДТ и на ЭТЭ на оптимальных установочных УОВТ представлены на рис. 2.

Содержание оксидов азота в ОГ при работе дизеля на ЭТЭ ниже, чем при работе дизеля на ДТ во всем диапазоне изменения нагрузок. Так, при ре = 0,64 МПа содержание NOx в ОГ снижается на 28,3 % (с 920 до 660 ррт). Снижение достигается уменьшением длительности процесса сгорания при работе дизеля на ЭТЭ.

Рис. 2. Влияние применения ЭТЭ на токсичность отработавших газов дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения нагрузки при п = 2200 мин -1 ;

------дизельный процесс,-------ЭТЭ

Существенно снижается дымность ОГ при работе дизеля на ЭТЭ во всем диапазоне нагрузок. При работе дизеля на ДТ максимальная дымность ОГ составляет 1,45 единицы по шкале Bosch, а при работе дизеля на ЭТЭ - 0,95 единицы по шкале Bosch, т.е. на 51% меньше. Это объясняется тем, что этанол (ЭТЭ) из всех топлив наименее склонен к образованию сажи. Сравнивая содержание СО в ОГ дизеля на малых нагрузках, при переходе на ЭТЭ происходит увеличение, а далее при нагрузках выше ре = 0,55 МПа - снижение (в 1,6 раза при ре = 0,69 МПа). Вместе с тем необходимо отметить, что при работе дизеля на ЭТЭ возрастает содержание СО2 в ОГ во всем диапазоне нагрузок.

Анализируя содержание в ОГ суммарных углеводородов СНх,следует отметить: содержание существенно возрастает при увеличении нагрузки. При этом содержание СНх в ОГ дизеля составляет 0,067 % (ре = 0,69 МПа), а при работе дизеля на ЭТЭ содержание СНх в ОГ двигателя составляет уже 0,33 %, что в 4,9

раза больше. Это объясняется тем, что суммарные углеводороды и оксид углерода являются продуктами неполного сгорания топлива. На увеличение процентного содержания СНх в ОГ оказывает влияние ухудшение процесса сгорания на малых нагрузках из-за пе-реобеднения топливовоздушной смеси вследствие использования качественного способа регулирования мощности и воспламенения ЭТЭ. В результате на малых нагрузках процесс распространения фронта пламени и весь процесс сгорания в целом протекает более вяло, способствуя неполному сгоранию топлива и, как следствие, - снижению эффективного коэффициента полезного действия.

На рис. 3 представлены графики объемного содержания гМОх, массовой концентрации СМОх оксидов азота в ОГ, максимальной температуры Ттах и давления газов р2, в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения нагрузки для частоты вращения п = 2200 мин -1 и п = 1700 мин -1 на установочном УОВТ 0впр = 23° до в.м.т.

Рис. 3. Влияние применения ЭТЭ на объемное содержание гМОх и массовую концентрацию СМОх оксидов азота в ОГ, и показатели процесса сгорания в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения нагрузки при оптимальном установочном У ОВТ 0впр = 23°

до в.м.т.: а - n = 2200 мин ~ ; б - n = 1700 мин "

дизельный процесс;

- ЭТЭ

Объемное содержание rNOx расч и массовая концентрация CNOx расч оксидов азота NO,, при работе дизеля на ЭТЭ с возрастанием нагрузки увеличиваются соответственно с 470 ppm и 0,68 г/м3 на минимальной нагрузке при ре = 0,13 МПа до 780 ppm и 1,12 г/м3 при ре = 0,69 МПа.

При работе дизеля на ДТ с возрастанием нагрузки объемное содержание rNOx расч и массовая концентрация CNOx расч оксидов азота увеличивается, соответственно, с 650 ppm и 0,94 г/м3 на минимальной нагрузке при ре =

0,13 МПА до 1041 ppm и 1,50 г/м3 при ре = 0,69 МПа. Таким образом, снижение объемного содержания rNOx расч и массовой концентрации CNOx расч оксидов азота при работе дизеля на ЭТЭ при частоте вращения коленчатого вала n = 2200 мин -1 и ре = 0,64 МПа составляет 256 ppm или 26 %.

Выводы. На основании проведенных лабораторно-стендовых и теоретических исследований влияния примения альтернативного топлива - ЭТЭ - на процессы образования и разложения оксидов азота, токсические, мощ-

Литература

1. Лиханов В.А., Лопатин О.П. Снижение содержания оксидов азота в отработавших газах дизеля 4Ч 11,0/12,5 путем применения этаноло-топливной эмульсии // Транспорт на альтернативном топливе: 2012. - № 4. С. 14-16.

ностные и экономические показатели работы дизеля 4Ч 11,0/12,5 с камерой сгорания в поршне типа ЦНИДИ с непосредственным впрыскиванием топлива установлена возможность улучшения его экологических показателей, в частности, снижения содержания оксидов азота в ОГ, экономии ДТ, повышения эффективных показателей.

Экспериментальными исследованиями для снижения содержания оксидов азота в ОГ, = объемного содержания гМОх и массовой концентрации СМОх оксидов азота в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на ЭТЭ определены значения оптимальных установочных углов опережения впрыскивания топлив: для ДТ - 23оп.к.в., для ЭТЭ - 23оп.к.в.

При работе дизеля на ЭТЭ содержание оксидов азота в ОГ, объемное содержание гМОх и массовая концентрация СМОх оксидов азота в цилиндре дизеля ниже на всех режимах работы дизеля.