Исследование работы дизеля на эмульсии рапсового масла и воды

Шлет

журналу

Исследование работы дизеля на эмульсии рапсового масла и воды 31

В.А. Марков, профессор, заведующий кафедрой «Поршневые двигатели» МГТУ им. Н.Э. Баумана, д.т.н.,

В.Г. Камалтдинов, профессор кафедры «Двигатели внутреннего сгорания и электронные системы автомобилей» Южно-Уральского государственного университета (ЮУрГУ), д.т.н.,

Е.Ф. Поздняков, генеральный директор ЗАО «Форант-Сервис», г. Ногинск, к.т.н., А.Д. Денисов, старший преподаватель кафедры «Технологии машиностроения и систем автоматизированного проектирования» Коломенского института (филиал) ФГБОУ ВО «Московский политехнический университет», И.В. Кошевой, магистр кафедры «Поршневые двигатели» МГТУ им. Н.Э. Баумана

Обоснована необходимость использования биотоплив в двигателях внутреннего сгорания. Показаны преимущества использования эмульгированных топлив в дизелях. Проведен сравнительный анализ физико-химических свойств нефтяного дизельного топлива и эмульсии рапсового масла и воды. Представлены результаты экспериментальных исследований дизеля, работающего на этих топливах. Показана возможность улучшения экологических показателей дизеля при его работе на эмульсии рапсового масла и воды.

__Ключевые слова:

двигатель внутреннего сгорания, дизель, нефтяное дизельное топливо,

рапсовое масло, эмульгированное топливо, показатели токсичности отработавших газов.

Н

а современном этапе развития двигателестроения основными задачами совершенствования двигателей внутреннего сгорания (ДВС) остаются улучшение показателей их топливной экономичности и снижение выбросов веществ с отработавшими газами (ОГ) [1, 2]. Причем, в связи с непрерывным ужесточением требований к содержанию в ОГ двигателей внутреннего сгорания токсичных компонентов (табл. 1) экологические показатели двигателей становятся приоритетными.

Таблица 1

Требования по ограничению содержания вредных веществ в отработавших газах дизелей транспортного назначения в странах Европы

Нормы Предельные выбросы вредных веществ с ОГ, мг/км

на токсичность ОГ Оксиды азота NOx Твердые частицы Диоксид углерода CO2

Евро-4 250 25 160...170

Евро-5 180 5 140

Евро-6 80 4,5 120

32

Х\\\\\\\\\\\х

Среди двигателей внутреннего сгорания транспортного назначения наибольшее применение нашли дизели [1]. Ими оснащаются не только грузовые автомобили и автобусы, но и легковой автомобильный транспорт. Двигатели сельскохозяйственных и дорожно-строительных машин в подавляющем числе случаев также оборудуются дизелями. Этот тип ДВС используется также на железнодорожном транспорте, речных и морских судах, в малой авиации и стационарных энергетических установках [3].

Отработавшие газы дизелей представляют собой сложную многокомпонентную смесь газов, паров и капель жидкостей, дисперсных твердых частиц. Всего в ОГ дизелей присутствуют около 300 компонентов, но при этом 80...85 % общей массы токсичных компонентов составляют оксиды азота N0^ монооксид углерода СО, легкие несгоревшие углеводороды СН, оксиды серы 80, альдегиды ЯСНО. Нормируемыми токсичными компонентами ОГ дизелей являются N0^ СО, СН и твердые частицы [2]. Диоксид углерода СО2 хотя и не является токсичным компонентом, однако он относится к группе так называемых парниковых газов, и его выброс также ограничивается соответствующими нормативными документами.

Из нормируемых газообразных токсичных компонентов ОГ дизелей наиболее значимыми являются оксиды азота N0^ Их доля в суммарных токсичных выбросах дизелей составляет от 30 до 80 % по массе и от 60 до 95 % по эквивалентной токсичности [2]. Другим важнейшим токсичным компонентом ОГ дизелей считаются твердые частицы (выброс сажи - углерода С, или дымность ОГ). Высокая потенциальная опасность этих частиц обусловлена их способностью аккумулировать на своей поверхности многие известные канцерогены и мутагены, а также незначительными размерами частиц, позволяющими им проникать в органы дыхания человека и накапливаться в них [4]. Еще два нормируемых токсичных компонента - монооксид углерода СО и легкие несгоревшие углеводороды СН - имеют значительно меньшую токсикологическую значимость. Так, в соответствии с данными работы [2] токсикологическая значимость СО, N0^ СН, твердых частиц и оксидов серы 80 оценивается как отношение 1 : 41,1 : 3,16 : 200 : 22. Следует учитывать также, что выбросы СО и СН значительно снижаются средствами очистки ОГ (нейтрализаторы) [2].

Известно, что на форсированных режимах работы дизеля с низкими коэффициентами избытка воздуха (а<1,2...1,3) сажа составляет большую часть массы твердых частиц (до 95.98 %). В целом фракционный состав твердых частиц выглядит следующим образом: углеродная фракция (среднее содержание 75 %, диапазон значений 33.90 %), органическая фракция (19 %, 7.49 %), сульфаты, нитраты (1 %, 1.4 %), металлы и другие элементы (2 %, 1.5 %), прочее (3 %, 1.10 %) [4]. Это позволяет использовать зависимости, практически однозначно (с высоким коэффициентом корреляции) связывающие эмиссию твердых частиц и дымность ОГ.

Следует отметить сложную противоречивую взаимосвязь выбросов двух наиболее значимых компонентов ОГ дизелей - эмиссии оксидов азота и дымности ОГ (выброс сажи). Многие методы и средства снижения токсичности ОГ не позволяют одновременно уменьшить эти выбросы. В частности, изменение угла опережения впрыскивания топлива (УОВТ) приводит либо к увеличению выбросов N0X при раннем впрыскивании, либо к увеличению дымности ОГ при позднем впрыскивании (рис. 1) [3].

Рис. 1. Типовая диаграмма эмиссии вредных веществ при различных УОВТ и максимальных давлениях впрыскивания

К немногочисленным методам и средствам снижения токсичности ОГ, одновременно уменьшающим выбросы оксидов азота и дымность ОГ, относится использование водотопливных эмульсий. Исследования по этому направлению улучшения экологических показателей дизелей проведены как в нашей стране [5-8], так и за рубежом [9-12]. Целесообразным представляется использование эмульсий воды и био-топлив (растительные масла, их эфиры, спирты) [13-18]. Эти биотоплива и в чистом виде отличаются хорошими экологическими качествами, а их эмульсии с водой обладают еще более лучшими экологическими характеристиками.

Среди биотоплив, нашедших наибольшее применение в дизелях, следует выделить растительные масла и их производные - метиловый, этиловый и бутиловый эфиры [13, 19, 20]. Несмотря на проблемы, возникающие при работе дизелей на растительных маслах (их высокая вязкость, а также возникающие при длительной работе на этих маслах коксование распылителей и деталей, образующих камеру сгорания, нарушение подвижности поршневых колец), продолжаются исследования работы дизелей на этих биотопливах и их смесях с другими топливами [19-24]. Исследованы следующие растительные масла: рапсовое, подсолнечное, соевое, пальмовое и кокосовое, арахисовое, оливковое, кукурузное, хлопковое, горчичное и другие [13, 19, 20]. Привлекательным представляется применение масел, уже использованных для приготовления пищи (фритюрные масла) [25, 26, 27].

Для условий Европы и средней полосы России наиболее привлекательным представляется использование биотоплив, производимых из рапсового масла [13, 19, 28-34]. С одного гектара посевов рапса можно получить до 1 т биотоплива. При этом рапсовое масло может применяться как самостоятельное топливо для дизелей, в смесях с дизельным топливом (ДТ), перерабатываться в метиловый, этиловый или бутиловый эфиры, которые используются также как самостоятельные биотоплива или как смесевое топливо (с дизельным или другими альтернативными топливами). В настоящее время в некоторых странах Западной Европы посевные площади, отведенные под рапс, составляют 20 % пахотных земель. Причем, рапс используется не только для производства биодизельного топлива - метилового эфира рапсового масла, но и как добавка в нефтяному ДТ.

При использовании растительных масел и их производных в качестве моторного топлива возможны два пути - централизованное и децентрализованное производство биотоплив [13, 18]. Централизованное производство моторных топлив из растительных масел заключается в переработке этих масел в сложные эфиры (метиловый, этиловый, бутиловый) с последующим их использованием в дизелях любых марок. В этом случае произведенное в фермерских хозяйствах или агропромышленных комплексах (АПК) масло поступает на завод для химической переработки, а затем на заправочные станции. Децентрализованное производство

10 лет

журналу

33

предусматривает использование в качестве моторного топлива «чистых» растительных масел или их смесей с нефтяным дизельным топливом. Это направление применения растительных масел обычно реализуется непосредственно в АПК, где имеются их излишки и возможно использование биотоплива, которое можно произвести внутрихозяйственным способом из собственного сырья. Это позволяет комплексно использовать сельскохозяйственную продукцию и сокращать транспортные расходы. Кроме того, в этом случае исключается зависимость от поставщиков нефтепродуктов.

Известны примеры промышленного использования растительных масел как моторного топлива в различных регионах мира [13, 18]. Так, в Германии реализуется как централизованное снабжение городского автотранспорта этими биотопливами (эфиры растительных масел), так и децентрализованное использование биотоплив. В качестве примера направлений использования биотоплива на рис. 2 представлены данные о его реализации в Германии. В 2006 году сбыт биодизельного топлива (метиловые эфиры растительных масел) в Германии составил 2,5 млн т, в том числе 1,01 млн т было использовано в качестве примеси к нефтяному дизельному топливу и 0,5 млн т реализовано через бензоколонки для легковых и грузовых автомобилей. Кроме этого, в качестве моторного топлива был реализован 1 млн т рапсового масла. Для легковых автомобилей, оснащенных двигателями с принудительным воспламенением рабочей смеси, используется смесь бензина и биоэтанола. При производстве такого топлива израсходовано 0,52 млн т биоэтанола.

В 2002 году в Англии поступил в продажу новый вид топлива, представляющий собой смесь нефтяного ДТ (95 %) и рапсового масла (5 %). Данный вид топлива был разработан компанией Огееиегду и получил название 01оЬаЮ1е$е1. В стране существует Единая ассоциация биодизельных предприятий (ВАВ1), крупнейшее из которых производит около 5 млн л топлива в год. Использование нового топлива позволяет сократить на 5 % выброс углеродистых выделений диоксида и на 28 % - количество взвешенных частиц в ОГ. При этом стоимость 01оЬаЮ1е$е1 всего на два пенса превышала стоимость обычного дизельного топлива, а использование его не требует переделок двигателя. Заправлять этим топливом можно любой автомобиль, оснащенный дизельным двигателем.

В Бельгии с 2006 года разрешено заправлять автомобили рапсовым маслом. При этом фермерам разрешено продавать рапсовое масло для этих целей без ограничений. В штате Миннесота (США) выпускают биодизельное топливо, содержащее 2 % растительного (соевое) масла. В Зимбабве (Африка) общее потребление биодизельного

Рис. 2. Объемы и направления реализации биотоплива в Германии в 2006 году: 1 - реализация через бензоколонки для легковых автомобилей; 2 - реализация через бензоколонки для грузовых автомобилей; 3 - для транспортных компаний и грузоперевозчиков;

4 - на нужды сельского хозяйства;

5 - в качестве добавки к традиционному нефтяному топливу

топлива (растительные масла и их эфиры) составляет10 % от общего потребления дизельного топлива, а в Малайзии - 20 %.

Следует также отметить, что биотоплива на основе растительных масел нашли применение не только как моторные топлива для городского автомобильного парка и различных сельскохозяйственных машин. Все более широкое применение эти топлива получают на железнодорожном транспорте, а также в стационарных энергетических установках. В работе [35] описана дизельная электростанция, построенная предприятием Sereal Docks на севере Италии в провинции Виченса. В состав электростанции входят два энергоблока на базе двигателей типа 9L 27/38 производства MAN Diesel SE. Электрическая мощность каждого энергоблока - 2,6 МВт. Основным топливом для этой станции является пальмовое масло, поставляемое из Малайзии. Ежедневный расход пальмового масла составляет 15 т на каждый из двух двигателей. Пальмовое масло поставляется на станцию полностью очищенным и готовым для подачи в двигатели. Для запуска двигателей используется рапсовое масло, обладающее лучшими низкотемпературными свойствами.

Некоторые из проблем, возникающих при длительной работе дизелей на растительных маслах (в первую очередь - коксование распылителей), можно решить использованием эмульгированных биотоплив, в частности эмульсий рапсового масла и воды. Кроме того, как отмечено выше, эти эмульсии обладают улучшенными экологическими характеристиками по сравнению с самими растительными маслами. Это подтверждается проведенными исследованиями дизелей на эмульсиях растительных масел и их производных с водой [36-38]. Однако в этих исследованиях недостаточное внимание уделено вопросам влияния свойств этих эмульсий на показатели токсичности ОГ дизелей.

Для оценки параметров и характеристик дизеля, работающего на эмульсии рапсового масла с водой, проведены исследования на экспериментальном стенде. Основным элементом экспериментального стенда являлся дизель типа Д-243 (4 Ч 11/12,5) производства Минского моторного завода (ММЗ). При создании этого стенда использована серийно выпускаемая на ММЗ дизель-генераторная установка, вырабатывающая переменный электрический ток. В этой установке в качестве первичного двигателя использован упомянутый дизель типа Д-243. В состав установки входил также электрический генератор переменного тока типа ECO-ECP производства фирмы RINA (Италия). При экспериментальных исследованиях вырабатываемая электрогенератором электроэнергия потреблялась тремя тепловентиляторами, максимальная мощность каждого из которых составляет 12 кВт (эти тепловентиляторы могут также работать с электрической нагрузкой, равной 6 кВт). Таким образом, возможна реализация шести нагрузочных режимов с эффективной мощностью 0 (режим холостого хода), 6, 12, 18, 24, 30 и 36 кВт (режим максимальной мощности).

Исследуемый дизель без наддува типа Д-243 имел номинальную мощность Ne=36 кВт при частоте вращения коленчатого вала «=1500 мин1. В дизеле использована камера сгорания в поршне типа ЦНИДИ (рис. 3) и организовано объемно-пленочное (пристеночное) смесеобразование. Некоторые параметры дизеля приведены в табл. 2. Разработанный стенд позволяет исследовать работу дизеля на нефтяном дизельном топливе, различных жидких альтернативных топли-вах (включая эмульгированные), а также на различных газообразных топли-вах (природный газ, нефтяные попутные газы, биогаз) с запальной дозой дизельного топлива. Для конвертирования этого двигателя на газовые топлива

10 лет

журналу

35

был разработан топливный насос высокого давления (ТНВД) с системой регулирования подачи газа и запального топлива [39, 40]. Этот насос позволяет реализовать работу двигателя как по газодизельному циклу (газовое топливо и запальная доза нефтяного дизельного топлива), так и по чисто дизельному циклу (нефтяное ДТ, различные жидкие альтернативные топлива, включая эмульгированные).

Рис. 3. Камера сгорания дизеля типа Д-243 со схемой расположения форсунки (а) и ориентация струй распыливаемого топлива в камере сгорания (б): 1,2, 3, 4, 5 - номера струй распыливаемого топлива

Исследования проведены в нормальных климатических условиях при температуре окружающего воздуха 20 ± 10 оС, относительной влажности воздуха от 45 до 80 % и атмосферном давлении от 630 до 800 мм рт. ст. (от 84 до 107 кПа). При экспериментах определялись эффективная мощность двигателя N и частота вращения коленчатого вала п, расходы воздуха, жидкого и газообразного топлива, некоторые дополнительные параметры, необходимые для вычисления показателей топливной экономичности двигателя, показатели дымности и токсичности его отработавших газов, а также ряд ограничительных параметров. Дымность ОГ измерялась с помощью дымомера «Инфракар Д1.01» предприятия «Западприбор» (г. Москва) с погрешностью измерения ±1 %. Концентрации в ОГ нормируемых токсичных компонентов (оксиды азота N0^ монооксид углерода СО, легкие несгоревшие углеводороды СН) определялись газоанализатором «Инфракар 5М-3.01» предприятия «Западприбор» с погрешностями измерения указанных компонентов ±1 %.

При проведении экспериментальных исследований использовалось нефтяное ДТ марки «Л» по ГОСТ 305-82 и эмульсия 90 % рапсового масла и 10 % воды, приготовленная с использованием роторного эмульгатора (диспергатор), разработанного ООО «Промсервис», (г. Щелково Московской обл.). Время диспергирования составляло 20 мин. Поверхностно-активные (эмульгирующие) вещества в полученную эмульсию не добавлялись. Свойства испытываемых топлив приведены в табл. 3.

ШШШШШШШ Щ

Таблица 2

Конструктивные и эксплуатационные параметры дизеля Д-243

Параметры Значение

Тип двигателя Четырехтактный, рядный, дизельный

Число цилиндров 4

Диаметр цилиндра В, мм 110

Ход поршня 5, мм 125

Общий рабочий объем гУн, л 4,32

Степень сжатия £ 16,0

Тип камеры сгорания, способ смесеобразования Камера сгорания типа ЦНИДИ (Центральный научно-исследовательский дизельный институт), объемно-пленочное смесеобразование

Система наддува Дизель не оснащен системой наддува

Номинальная частота вращения п, мин1 1500

Номинальная мощность N кВт 36

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 PP4M10U1f фирмы Motorpal с центробежным регулятором

Диаметр плунжеров ТНВД йпл, мм 10

Ход плунжеров ТНВД кпл, мм 10

Длина нагнетательных топливопроводов 1т, мм 540

Форсунки Типа ФДМ-22 производства ОАО «Куроаппаратура»

Распылители форсунок Фирмы Motorpal типа DOP 119S534 с пятью сопловыми отверстиями диаметром ¿р=0,34 мм и проходным сечением ^^=0,250 мм2

Давление начала впрыскивания форсунок рфо, МПа 21,5

10 лет

журналу

37

На моторном стенде дизель типа Д-243 исследован на режимах предельной регуляторной характеристики, формируемой регулятором при частоте вращения коленчатого вала «=1500 мин1, которые являются штатными 38 режимами дизель-генераторной установки, вырабатывающей переменный

электрический ток. Этот ток удовлетворял требованиям, предъявляемым к электрическому току промышленных сетей. Наклон регуляторной характеристики (ее степень неравномерности 5) дизеля был равен 5 = 3,7 %, что приводило к увеличению частоты вращения коленчатого вала с номинального значения (примерно равного «=1500 мин1 на режиме с полной нагрузкой N=36 кВт) до уровня, примерно равного «=1550 мин1 на режиме холостого хода (N=0 кВт). При испытаниях угол опережения впрыскивания топлива был установлен равным 6=13 °ПКВ (поворот коленчатого вала) до верхней мертвой точки (ВМТ).

Некоторые результаты испытаний дизеля на нефтяном дизельном топливе и на эмульсии рапсового масла с водой с содержанием последней 10 % (об.) приведены в табл. 4. На режиме с полной нагрузкой часовой расход нефтяного ДТ составлял 8,89 кг/ч (см. табл. 4 и рис. 3). Теплотворная способность (низшая теплота сгорания) исследуемой эмульсии 90 % РМ и 10 % воды более чем на 20 % ниже аналогичного показателя нефтяного ДТ (см. табл. 3). В связи с этим при переводе дизеля на это эмульгированное топливо потребовалась регулировка упора максимальной подачи топлива ТНВД с целью поддержания примерного постоянства номинальной мощности дизеля на уровне 34,4...34,6 кВт. В результате на режиме с полной нагрузкой часовой расход эмульгированного топлива был равен 11,70 кг/ч (см. табл. 4 и рис. 3).

Таблица 3

Физико-химические свойства моторных топлив

Топлива

Физико-химические свойства ДТ РМ Эмульсия 90% РМ и 10% воды

Плотность при 20 °С, кг/м3 830 916 925

Вязкость при 20 °С, мм2/с 3,8 75,0 30,0

Теплота сгорания низшая, МДж/кг 42,5 37,3 33,5

Цетановое число 45 36 32

Температура самовоспламенения, °С 250 318 360

Массовое содержание, % С Н О Н2О 87,0 12,6 0,4 77,0 12,0 11,0 68,6 10,7 9,8 10,9

Количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг вещества, кг 14,3 12,5 11,1

Примечание: приведены объемные значения компонентов эмульсии; ДТ - дизельное топливо марки «Л» по ГОСТ 305-82; РМ - рапсовое масло.

ШШШШШШШ Щ

10лет

журналу

Таблица 4

Часовые расходы топлива Ст, воздуха Свозд, температуры воздуха во впускном коллекторе ^озд вп и охлаждающего воздуха генератора ^ ген, ^^Н

коэффициент избытка воздуха а дизеля Д-243 39

№№ режимов п, мин 1 N кВт Ст, кг/ч Свозд' кг/ч ^озд вп* °С ^озд ген* °С 'о, кг/кг а

Работа на нефтяном дизельном топливе

1 1455 34,4 8,89 194 31,5 30 14,3 1,53

2 1476 26,8 6,48 196 30,0 28 14,3 2,12

3 1488 21,2 5,21 200 29,5 26 14,3 2,68

4 1509 13,3 3,70 200 28,4 26 14,3 3,78

5 1527 7,8 2,71 210 33,9 30 14,3 5,42

6 1578 0 2,25 224 25,5 24 14,3 6,96

Работа на эмульсии 90% рапсового масла и 10% воды

1 1446 34,6 11,70 190 27,5 26 1,46

2 1485 27,0 8,40 200 26,3 25 2,15

3 1503 21,4 6,89 200 25,8 24 2,62

4 1521 13,2 5,23 210 24,8 24 3,62

5 1545 7,6 4,10 210 23,8 23 4,61

6 1581 0 3,06 220 23,7 23 6,48

По представленным в табл. 4 и на рис. 4 показателям часовых расходов топлива Ст и воздуха Свозд определены значения коэффициента избытка воздуха а исследуемого дизеля. При этом использована общепринятая формула расчета этого коэффициента [41]:

'«А

где 1о = - количество воздуха [кг воздуха/кг топлива], необходимое для

сгорания 1 кг топлива, которое равно: для ДТ /о=14,3; для эмульсии 90 % рапсового масла и 10 % воды 1о= 11,1 (см. табл. 3); цв =28,93 - молекулярная масса воздуха.

6Т, кг/ч

10 8 в 4 2 0

2

Г ——х—" _____-Х-"

2 ! о

1

л

—,_

-=9

^возд, кг/ч

220

200

180

160

10 15

20

25 30 Л/е, кВт

Рис. 4. Зависимость часовых расходов топлива Ст, воздуха Свозд и коэффициента избытка воздуха а от эффективной мощности Ые дизеля Д-243, работающего на режимах предельной регуляторной характеристики при «ном = 1500 мин-1 на различных топливах:

1 - нефтяное ДТ;

2 - эмульгированное топливо

Количество воздуха Ьо [кмоль воздуха/кг топлива], необходимое для сгорания 1 кг топлива, определялось по формуле

Ь =

1

(С/12 + Н / 4-0/32) ,

0 , 21

где С, Н и О - массовые доли атомов углерода, водорода и кислорода в молекулах топлива.

Рассчитанные значения коэффициента избытка воздуха а (см. табл. 4 и рис. 4) свидетельствуют о том, что при увеличении нагрузки на дизель (при росте эффективной мощности Ые) коэффициент избытка воздуха монотонно уменьшается. Минимальные значения а соответствуют режиму максимальной мощности: при работе на нефтяном ДТ это минимальное значение равно а=1,53, а при работе на эмульсии 90 % РМ и 10 % воды -а=1,46. В целом, необходимо отметить близкий характер зависимостей коэффициента избытка воздуха а от эффективной мощности N для двух исследуемых топлив.

На основании полученных при испытаниях значений расходов исследуемых топлив и мощностных показателей исследуемого дизеля определены показатели его топливной экономичности. При этом удельный эффективный

расход топлива ge дизеля определен по известной формуле [41]:

о.

§е =

N

Приведенные в табл. 5 и на рис. 5 данные свидетельствуют о том, что при работе на эмульсии 90 % РМ и 10 % воды удельный эффективный расход топлива gе оказался выше, чем при использовании нефтяного ДТ. Это объясняется пониженной теплотворной способностью эмульгированного топлива (33,5 МДж/кг) по сравнению с нефтяным ДТ (42,5 МДж/кг, см. табл. 3). На режимах холостого хода (при N=0) значения gе стремятся к бесконечности, поскольку крутящий момент на выходном валу дизеля стремится к нулю. По данным рис. 5 можно отметить наличие минимума удельного эффективного расхода gе на режимах с эффективной мощностью, примерно равной N=27 кВт. Наименьший удельный эффективный расход топлива gе=241,8 г/(кВт-ч) соответствует работе дизеля на нефтяном ДТ на режиме с эффективной мощностью N=26,8 кВт при «=1476 мин1.

ШШШШШШШ Щ

10лет

журналу

Таблица 5

Удельный эффективный расход топлива gе, низшая теплота сгорания топлив, эффективный КПД

и дымность ОГ Кх дизеля Д-243 41

№№ режимов п, мин1 N кВт вт, кг/ч gе, г/

Работ а на нефтяном дизельном топливе

1 1455 34,4 8,89 258,4 42,5 0,328 55,0

2 1476 26,8 6,48 241,8 42,5 0,350 18,3

3 1488 21,2 5,21 245,8 42,5 0,345 5,7

4 1509 13,3 3,70 278,2 42,5 0,304 3,6

5 1527 7,8 2,71 347,4 42,5 0,244 2,6

6 1578 0 2,25 - 42,5 - 1,5

Работа на эмульсии 90% рапсового масла и 10% воды

1 1446 34,6 11,70 338,2 33,5 0,318 40,5

2 1485 27,0 8,40 311,1 33,5 0,345 10,5

3 1503 21,4 6,89 322,0 33,5 0,334 5,2

4 1521 13,2 5,23 396,2 33,5 0,271 3,2

5 1545 7,6 4,10 539,5 33,5 0,199 2,1

6 1581 0 3,06 - 33,5 - 1,3

Необходимо отметить, что этот показатель топливной экономичности двигателя gе не учитывает различной теплотворной способности используемых топлив. Поэтому для сравнительной оценки эффективности процесса сгорания для различных топлив предпочтительнее использовать эффективный КПД дизеля це , в формулу для определения которого входит низшая теплота сгорания Ни этих топлив. При обработке результатов экспериментальных исследований расчет эффективного КПД це дизеля проводился с учетом различной теплотворной способности топлив по выражению [41]

3600

Н и Ее

Рассчитанные по этой формуле значения эффективного КПД це представлены в табл. 5 и на рис. 5. На режимах холостого хода

эффективный КПД дизеля це стремится к нулю. По мере увеличения нагрузки эффективный КПД це повышается и при эффективной мощности, примерно равной N =27 кВт, достигает своего максимума. Наибольший эффективный КПД двигателя пе=0,35 соответствует работе дизеля на нефтяном ДТ на режиме с эффективной мощностью N=26,8 кВт при «=1476 мин1.

Полученные данные по эффективному КПД пе свидетельствуют о том, что по эффективности процесса сгорания работа дизеля на эмульсии 90 % РМ и 10 % воды несколько уступает работе на нефтяном ДТ. Вместе с тем на режиме с наибольшей эффективностью процесса сгорания при эффективной мощности, примерно равной N=27 кВт, разница в значениях эффективного КПД пе составляет лишь 1,4 %, что соизмеримо с точностью определения расхода топлива.

Полученные экспериментальные данные по показателям дымности ОГ исследуемого дизеля (см. табл. 5 и рис. 5) показывают, что использование эмульсии 90 % РМ и 10 % воды приводит к заметному уменьшению выброса сажи - углерода С (снижение дымности ОГ). При работе на режимах с малыми и средними нагрузками (при N ниже 21...22 кВт) на нефтяном ДТ и на эмульгированном топливе дымность ОГ соизмерима. Это обусловлено значительным избытком кислорода в рабочей смеси - коэффициент избытка воздуха а>2. На режимах с высокими нагрузками начинает сказываться недостаток кислорода в рабочей смеси. В связи с этим на режиме с полной нагрузкой (при N=34,4.34,6 кВт) отмечена наибольшая дымность ОГ - при использовании нефтяного ДТ Кх=55,0 % по шкале Хар-триджа, а в газодизельном цикле Кх=40,5 % по той же шкале. Таким образом, на этом режиме переход от нефтяного ДТ к эмульгированному топливу приводит к снижению дымности ОГ на 26,4 %.

Указанный переход от нефтяного ДТ к эмульгированному топливу оказывает влияние и на содержание в ОГ других компонентов (табл. 6, рис. 6 и 7). Эти показатели также в значительной степени зависят от нагрузки на двигатель -от его эффективной мощности N •

При переводе дизеля типа Д-243 с нефтяного ДТ к эмульсии 90 % РМ и 10 % воды отмечено увеличение концентрации кислорода С0 в ОГ (см. табл. 6 и рис. 6).

Рис. 5. Зависимость удельного эффективного расхода топлива эффективного КПД г|е и дымности ОГ Кх от эффективной мощности N дизеля Д-243, работающего на режимах предельной регуляторной характеристики при «ном=1500 мин-1 на различных топливах:

1 - нефтяное ДТ;

2 - эмульгированное топливо

СО;,%

16 14 12 10 8 6 4

%

X /

/

V

10

15 20

25

Это связано с большим содержанием атомов кислорода в молекулах РМ (11 % у РМ против 0,4 % у ДТ, см. табл. 3). По этой же причине переход от нефтяного ДТ к эмульгированному топливу сопровождается уменьшением содержания углекислого газа (диоксид углерода) Ссо в ОГ исследуемого дизеля.

Полученные экспериментальные данные показывают, что использование эмульгированного топлива приводит к заметному снижению выброса основного газообразного токсичного компонента ОГ дизеля - оксидов азота СКОх (см. табл. 6 и рис. 7). Наибольшее содержание оксидов азота в ОГ дизеля Д-243 отмечено на режиме с нагрузкой, соответствующей N=26.27 кВт. При работе на этом режиме переход от нефтяного ДТ к эмульсии 90 % РМ и 10 % воды приводит к снижению содержания оксидов азота в ОГ СКОх с 1440 до 1317 ррт, то есть на 8,5 %. Отмеченная тенденция снижения эмиссии оксидов азота характерна и для других нагрузочных режимов исследуемого дизеля. Такое снижение выброса оксидов азота при работе на эмульгированном топливе обусловлено снижением максимальных температур сгорания за счет высокой теплоты испарения воды.

Снижение температур сгорания при работе дизеля на эмульгированном топливе уменьшает эффективность процесса сгорания. В результате на всех исследованных нагрузочных режимах при переходе от нефтяного ДТ к эмульсии 90 % РМ и 10 % воды отмечен повышенный выброс продукта неполного сгорания топлива - монооксида углерода СО (см. табл. 6 и рис. 7). Минимальное содержание СО в ОГ отмечено на наиболее экономичном режиме, соответствующем эффективной мощности N=26...27 кВт. Причем, при работе на этом режиме на нефтяном ДТ содержание монооксида углерода СО в ОГ было равно 0,37 %, а при работе на эмульгированном топливе - 0,64 %.

Вместе с тем необходимо отметить, что монооксид углерода СО имеет значительно меньшую токсикологическую значимость по сравнению с другими токсичными компонентами ОГ дизелей. Как говорилось выше, в соответствии с данными работы [2] токсикологическая значимость монооксида углерода СО, оксидов азота N0^ легких несгоревших углеводородов СН, сажи - углерода С (твердые частицы) и оксидов серы 80х оценивается как отношение 1 : 41,1 : 3,16 : 200 : 22. Кроме того, выброс СО значительно снижается при использовании средств очистки ОГ(установка нейтрализаторов) [2, 7, 42].

Ссог %

14 12 10

8 6 4 2 О

30 Л/е,кВт

10 лет

журналу

43

Рис. 6. Зависимость объемных концентраций в ОГ кислорода С0 и углекислого газа (диоксид углерода) о I от эффективной мощности Ые дизеля Д-243, работающего на режимах предельной регуляторной характеристики

при ином = 1500 мин-1 на различных топливах:

1 - нефтяное ДТ;

2 - эмульгированное топливо

Объемные концентрации кислорода С02, диоксида углерода Сс02, оксидов азота СК0х, монооксида углерода Сс0, углеводородов Ссн в ОГ дизеля Д-243

Таблица 6

№№ режимов п, мин 1 N кВт Со2, % СС02, % СК0Х, РРт Сс0, % Ссн, РРт

Работа на нефтяном дизельном топливе

1 1455 34,4 5,96 14,90 1087 0,040 17

2 1476 26,8 10,23 9,34 1440 0,037 13

3 1488 21,2 12,26 6,38 1079 0,041 20

4 1509 13,3 14,70 4,27 630 0,045 28

5 1527 7,8 15,87 3,65 461 0,050 38

6 1578 0 17,70 2,75 203 0,057 49

Работа на эмульсии 90% рапсового масла и 10% воды

1 1446 34,6 6,48 10,73 943 0,068 8

2 1485 27,0 10,60 7,70 1317 0,064 5

3 1503 21,4 12,43 6,04 1033 0,071 9

4 1521 13,2 14,87 4,00 580 0,082 15

5 1545 7,6 16,08 3,39 415 0,095 22

6 1581 0 17,80 2,45 191 0,109 30

Примечание: для С0 и Ссо указано их объемное процентное содержание

в ОГ; ррт - миллионные объемные доли СКОх, СсО, С,

сн-

Основным компонентом исследуемого эмульгированного топлива является рапсовое масло, в котором отсутствуют легкие углеводородные соединения. В связи с этим при его сгорании отмечена очень низкая эмиссия легких углеводородов СН (см. табл. 6 и рис. 7). Причем минимум содержания несгоревших углеводородов в ОГ дизеля Д-243 соответствует нагрузочному режиму с эффективной мощностью N,=26.27 кВт. На этом режиме перевод дизеля с нефтяного ДТ на эмульсию 90 % РМ и 10 % воды сопровождается уменьшением концентрации углеводородов в ОГ ССН с 13 до 5 ррт.

В целом анализ характеристик выбросов токсичных компонентов ОГ исследуемого дизеля показал, что при его переводе с нефтяного ДТ на эмульгированное топливо отмечено заметное улучшение его экологических показателей. При этом эмиссия двух наиболее значимых токсичных компонентов ОГ дизелей - оксидов азота и сажи (дымность ОГ) - заметно снижается. На исследованных режимах с высокой нагрузкой (N,>26.27 кВт) перевод дизеля Д-243 с нефтяного ДТ на эмульсию 90 % РМ и 10 % воды сопровождается уменьшением содержания в ОГ оксидов азота СКОх на 8.13 % и снижением дымности ОГ Кх на 26.42 %. Во всем диапазоне исследованных нагрузочных режимов такой переход позволяет снизить концентрацию в ОГ несгоревших углеводородов ССН в 1,5-2,5 раза. Отмеченный при испытаниях дизеля Д-243 на эмульгированном топливе рост выбросов монооксида углерода СО может быть легко устранен путем установки в выпускной системе двигателя каталитического нейтрализатора, эффективно очищающего ОГ от содержащегося в них монооксида углерода.

В целом проведенные экспериментальные исследования подтвердили перспективность использования эмульгированного биотоплива - эмульсии рапсового мала и воды для питания дизеля. В этом случае можно полностью отказаться от топлив, получаемых из ископаемых сырьевых ресурсов (нефть и природный газ), и заместить их возобновляемыми биотопливами.

Рис. 7. Зависимость объемных концентраций в ОГ оксидов азота СыО%, монооксида углерода СсО и легких несгоревших углеводородов Ссн от эффективной мощности N дизеля Д-243, работающего на режимах предельной регуляторной характеристики при ином=1500 мин-1 на различных топливах:

1 - нефтяное ДТ;

2 - эмульгированное топливо

10 лет

журналу

45

_Использованные источники

1. Машиностроение. Энциклопедия. Том IV. Двигатели внутреннего сгорания / Л.В. Грехов, Н.А. Иващенко, В.А. Марков и др. Под ред. А.А. Александрова, Н.А. Иващенко. - М.: Машиностроение, 2013. - 784 с.

2. Марков В.А., Баширов Р.М., Габитов И.И. Токсичность отработавших газов дизелей. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 376 с.

3. Грехов Л.В., Иващенко Н.А., Марков В.А. Системы топливоподачи и управления дизелей: Учебник для ВУЗов. Второе издание. - М.: Легион-Автодата, 2005. - 344 с.

4. Оценка и контроль выбросов дисперсных частиц с отработавшими газами дизелей / В.А. Звонов, Г.С. Корнилов, А.В. Козлов и др. - М.: Прима-Пресс-М, 2005. - 312 с.

5. Альтернативные топлива для двигателей внутреннего сгорания / А.А. Александров, И.А. Архаров, В.А. Марков и др. Под ред. А.А. Александрова, В.А. Маркова. - М.: ООО НИЦ «Инженер», ООО «Онико-М», 2012. - 791 с.

6. Лерман Е.Ю., Гладков О.А. Высококонцентрированные водотопливные эмульсии - эффективное средство улучшения экологических показателей легких быстроходных дизелей // Двигателестроение. - 1986. - № 10. - С. 35-37.

7. Лиханов В.А., Сайкин А.М. Снижение токсичности автотракторных дизелей.

- М.: Колос, 1994. - 224 с.

8. Малов Р.В., Пекшев В.В. Эмульгирование топлива и экологические характеристики дизеля // Автомобильная промышленность. - 1992. - № 8. - С. 15-18.

9. Hountalas D.T., Mavropoulos G.C., Zannis T.C. et al. Use of Water Emulsion and Intake Water Injection as NOx Reduction Techniques for Heavy Duty Diesel Engines // SAE Technical Paper Series. - 2006. - № 2006-01-1414. - P. 1-15.

10. Kee S.-S., Mohammadi A., Hirano H. Experimental Study on Combustion Characteristics and Emissions Reduction of Emulsified Fuels in Diesel Combustion Using a Rapid Compression Machine // SAE Technical Paper Series. - 2003. -№ 2003-01-1792. - P. 1-8.

11. Jin-Yuan Syu, Yuan-Yi Chang, Chao-Heng Tseng et al. Effects of Water-Emulsified Fuel on a Diesel Engine Generator's Thermal Efficiency and Exhaust // Journal of the Air and Waste Management Association. - 2016. - № 11. - P. 970-978.

12. Park J.W., Huh K.Y., Lee J.H. Reduction of NOx, Smoke and Brake Specific Fuel Consumption with Optimal Injection Timing and Emulsion Ratio of Water-Emulsified Diesel // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. - 2001. - Vol. 215. -P. 83-93.

13. Марков В.А., Девянин С.Н., Зыков С.А., Гайдар С.М. Биотоплива для двигателей внутреннего сгорания. - М.: НИЦ «Инженер», 2016. - 292 с.

14. Yoshimoto Y., Tamaki H. Reduction of NOx and Smoke Emissions in a Diesel Engine Fueled by Biodiesel Emulsion Combined with EGR // SAE Technical Paper Series.

- 2001. - № 2001-01-0649. - P. 1-9.

15. Lin S.L., Lee W.J., Lee C.F., Chen S.J. Energy Savings and Emission Reduction of Nitrogen Oxides, Particulate Matter, and Polycyclic Aromatic Hydrocarbons by Adding Water-Containing Acetone and Neat Soybean Oil to a Diesel-Fueled Engine Generator // Energy Fuels. - 2010. - Vol. 24. - № 6. - P. 4522-4533.

16. Lee W.J., Liu Y.C., Mwangi F.K. et al. Assessment of Energy Performance and Air Pollutant Emissions in a Diesel Engine Generator Fueled with Water-Containing Ethanol-Biodiesel-Diesel Blend of Fuels // Energy. - 2011. - Vol. 36. - № 9. -P. 5591-5599.

17. Martins L.D., da S. Júnior C.R., Solci M.C., Pinto J.P. et al. Particle Emission from Heavy-Duty Engine Fuelled with Blended Diesel and Biodiesel // Environmental Monitoring and Assessment. - 2012. - Vol. 184. - P. 2663-2676.

18. Ribeiro N.M., Pinto A.C., Quintella C.M. et al. The Role of Additives for Diesel and Diesel blended (Ethanol or Biodiesel) Fuels: A Review // Energy Fuels. - 2007. - Vol. 21.

- № 4. - P. 2433-2445.

19. Использование растительных масел и топлив на их основе в дизельных двигателях / В.А. Марков, С.Н. Девянин, В.Г. Семенов и др. - М.: НИЦ «Инженер», 2011.

- 536 с.

20. Льотко В., Луканин В.Н., Хачиян А.С. Применение альтернативных топлив в двигателях внутреннего сгорания. - М.: Изд-во МАДИ (ТУ), 2000. - 311 с.

21. Babu A.K., Devaradjane G. Vegetable Oils and their Derivatives as Fuels for CI Engines: an Overview // SAE Technical Paper Series. - 2003. - № 2003-01-0767. -P. 1-18.

22. Yoshimoto Y., Onodera M., Tamaki H. Performance and Emission Characteristics of Diesel Engines Fueled by Vegetable Oils // SAE Technical Paper Series. - 2001. -№ 2001-01-1807/4227. - P. 1-8.

23. Spessert B.M., Arendt I., Schlelcher A. Influence of RME and Vegetable Oils on Exhaust Gas and Noise Emissions of Small Industrial Diesel Engines // SAE Technical Paper Series. - 2004. - № 2004-32-0070. - P. 1-15.

24. Lapuerta M., Armas O., Ballesteros R. Diesel Particulate Emissions from Biofuels Derived from Spanish Vegetable Oils // SAE Technical Paper Series. - 2002. -№ 2002-01-1657. - P. 1-7.

25. Hamasaki K., Tajima H., Takasaki K. et al. Utilization of Waste Vegetable Oil Methyl Ester for Diesel Fuel // SAE Technical Paper Series. - 2001. - № 2001-01-2021. -P. 1-6.

26. Morimune T., Yamaguchi H., Konishi K. Exhaust Emissions and Performance of Diesel Engine Operating on Waste Food-Oil // Transactions of the JSME.Ser. B. - 2000.

- Vol. 66. - № 641. - P. 294-299.

27. Sendari A., Fragioudakis K., Kalligeros S., Stournas S., Lois E. Impact of Using Biodiesels of Different Origin and Additives on the Performance of a Stationary Diesel Engine // Transactions of the ASME. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. - 2000.

- Vol. 122. - № 4. - P. 624-631.

28. Ашпина О. Рапс - культура стратегическая // The Chemical Journal (Химический журнал). - 2005. - № 9. - С. 40-44.

29. Hemmerlein N., Korte V., Richter H. et al. Performance, Exhaust Emissions and Durability of Modern Diesel Engines Running on Rapeseed Oil // SAE Technical Paper Series. - 1991. - № 910848. - P. 1-16.

30. Krahl J., Vellguth G., Munack A. et al. Exhaust Gas Emissions and Environmental Effects by Use of Rape Seed Oil Based Fuels in Agricultural Tractors // SAE Technical Paper Series. - 1996. - № 961847. - P. 1-14.

31. Lotko W., Longwic R., Swat M. The Effect of Rape Oil - Diesel Oil Mixture Composition on Particulate Matter Emission Level in Diesel Engine // SAE Technical Paper Series. - 2001. - № 2001-01-3388. - P. 1-4.

32. Hashimoto M., Dan T., Asano I., Arakawa T. Combustion of the Rape-Seed Oil in a Diesel Engine // SAE Technical Paper Series. - 2002. - № 2002-01-0867. - P. 1-12.

33. Yoshimoto Y., Onodera M. Performance of a Diesel Engine Fueled by Rapeseed Oil Blended with Oxygenated Organic Compounds // SAE Technical Paper Series. - 2002. -№ 2002-01-2854. - P. 1-9.

34. Spessert B.M., Schleicher A. Einfluss von Biokraftstoffen auf die Abgas- und Gerauschemission kleiner Industriedieselmotoren // MTZ. - 2007. - Jg. 68. - № 3. - S. 212-221.

35. Капралов Д.А., Троицкий А.А. Электростанция на пальмовом масле работа-

10 лет

журналу

47

ет в Италии // Турбины и дизели. - 2008. - № 4. - С. 2-7.

36. Yoshimoto Y., Onodera M., Tamaki H. Performance of a Diesel Engine Using Transesterified Fuel from Vegetable Oil (Effects of Water Emulsification) // Transactions of the JSME. Ser. B. - 2001. - Vol. 67. - № 653. - P. 264-271.

37. Kinoshita E., Hamasaki K., Kitte M., Kameda A. Diesel Combustion Characteristics of Emulsified Palm Oil Methyl Ester // Transactions of the JSME. Ser. B. - 2007. -Vol. 73. - № 733. - P. 1965-1971.

38. Yoshimoto Y., Tamaki H. Reduction of NOx and Smoke Emissions in a Diesel Engine Fueled by Biodiesel Emulsion Combined with EGR // SAE Technical Paper Series.

- 2001. - № 2001-01-0649. - P. 1-9.

39. Марков В.А., Поздняков Е.Ф., Шатров В.И., Жердев А.А., Стриженов Е.М. Исследование дизельного двигателя с адсорбционной системой аккумулирования природного газа // Транспорт на альтернативном топливе. - 2016. - № 3. -С. 19-34.

40. Марков В.А., Жердев А.А., Фурман В.В., Коссова Л.Е. Технологии использования попутного нефтяного газа для генерирования электроэнергии // АГЗК+АТ.

- 2016. - № 11. - С. 17-25.

41. Машиностроение. Энциклопедия. Том IV. Двигатели внутреннего сгорания / Л.В. Грехов, Н.А. Иващенко, В.А. Марков и др. Под ред. А.А. Александрова, Н.А. Иващенко. - М.: Машиностроение, 2013. - 784 с.

42. Жегалин О.И., Патрахальцев Н.Н., Френкель А.И. Каталитические нейтрализаторы транспортных дизелей. - М.: Машиностроение, 1979. - 80 с.

Требования по подготовке статей к опубликованию в журнале

В связи с тем, что Международный научно-технический журнал Национальной газомоторной ассоциации «Транспорт на альтернативном топливе» включен в обновленный Перечень ВАКа, просьба ко всем авторам строго выполнять следующие требования при подготовке статей к публикации:

1. Все научно-технические статьи должны иметь на русском и английском языках следующие составляющие:

заголовок, ФИО авторов полностью, их должности, ученая степень (при наличии), контакты (e-mail, телефоны), аннотации, ключевые слова.

2. Все английские тексты следует набирать только строчными буквами, сохраняя начальные прописные буквы в именах собственных.

3. Авторы остальных публикаций (информационных, рекламных и т.д.) представляют на русском и английском языках: заголовок, ФИО авторов полностью, их должности, адрес и контакты (e-mail, телефоны).

Редакция журнала также доводит до сведения авторов требования, которые необходимо соблюдать при подготовке статей для публикации.

Материалы статей должны быть представлены по электронной почте в программе WinWord. Объем статьи -не более 15 000 знаков с пробелами.

Представленный текстовый материал с иллюстрациями и таблицами должен иметь сквозную нумерацию. Графический материал должен быть выполнен в формате, обеспечивающем ясность всех деталей рисунков. Формулы и символы должны быть четкими и понятными. Все обозначения в формулах необходимо расшифровать. Нумеруются только те формулы, на которые сделаны ссылки в тексте. Обозначения физических величин и единиц измерений необходимо давать

в Международной системе единиц (СИ). Обязательно соблюдение действующих ГОСТов. Текст и таблицы должны быть выполнены в программе Word в формате doc, rtf. Фотографии и графические рисунки (не менее 300 dpi, CMYK) - в формате jpg, jpeg, tiff, pdf. Не следует форматировать текст самостоятельно.

При пересылке материалов по е-mail следует сопровождать их пояснительной запиской (от кого, перечень файлов и т.д.). Объемные файлы должны быть заархивированы. При подготовке статей к печати необходимо руководствоваться документами, определяющими правила передачи информации через СМИ. Авторский коллектив должен указать ответственное лицо, с которым редакция будет вести переговоры в процессе подготовки статьи к изданию. В список литературы включаются источники, на которые есть ссылки в статье. Ссылаться можно только на опубликованные работы. Список литературы составляется в порядке употребления. В нем приводятся следующие сведения: фамилия и инициалы авторов, название работы; для журнала - название, год издания, номер, страницы, на которых размещена статья; для книг - место и год издания, издательство, общее число страниц. Редакция оставляет за собой право редакторской правки и не несет ответственности за достоверность публикации. Все внесенные изменения и дополнения в представленную к изданию статью согласовываются с автором или представителем авторского коллектива.

Редакция оставляет за собой право размещать опубликованные статьи на сайтах журнала и Национальной газомоторной ассоциации. Редакция не передает и не продает материалы для публикации в других печатных и электронных изданиях без согласования с автором (представителем авторского коллектива).