Определение оптимального коэффициента избытка воздуха при работе дизеля на газовом топливе Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ВЕСТНИК БЕЛОРУССКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ _АКАДЕМИИ № 1 2015_

МЕХАНИЗАЦИЯ И СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЕ

МА ШИНОСТРОЕНИЕ

УДК 621.791.035

А. Н. КАРТАШЕВИЧ, П. Ю. МАЛЫШКИН

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ИЗБЫТКА ВОЗДУХА ПРИ РАБОТЕ ДИЗЕЛЯ НА ГАЗОВОМ ТОПЛИВЕ

(Поступила в редакцию 05.01.2015)

Рассмотрен элементный состав дизельного и газового We have examined element composition of diesel and gas

топлив. Определена низшая теплота сгорания газа, равная fuel. We have determined the lowest heat of gas combustion,

45,81 МДж/кг. Установлено, что теплота сгорания рабо- equal to 45.81 MJoule/kg. We have established that the heat of

чей смеси ДТ и воздуха меньше теплоты сгорания рабочей combustion of working mixture of diesel fuel and air is less than

смеси газа и воздуха на 0,15-1,54 %. Получены эмпириче- the heat of combustion of working mixture of gas and air by

ские зависимости теплоты сгорания рабочей смеси дизель- 0.15-1.54%. We have obtained empirical dependences of the

ного топлива и газа в зависимости от коэффициента из- heat of combustion of working mixture of diesel fuel and gas

бытка воздуха. Определен оптимальный диапазон коэффи- depending on the coefficient of air excess. We have determined

циента избытка воздуха a = 1,3-1,7, при котором целесо- optimal range of coefficient of air excess a = 1.3-1.7, which is

образна работа дизеля на газовом топливе. the best for the work of diesel on gas fuel.

Введение

Для двигателей в качестве перспективных топлив рассматриваются газообразные, в первую очередь природный, сжиженный, биогаз, и спиртовые топлива (метанол и этанол), а также растительные масла. Применение нетрадиционных видов топлива на автотракторных двигателях связано с решением вопросов по организации рабочего процесса, регулирования, дозирования, хранения и заправки, а также получения их в достаточном количестве при невысокой себестоимости и ряда других вопросов [1, 2].

К газовым топливам относятся газообразные углеводороды, которые добываются из недр земли при разработке газовых, газоконденсатных и нефтяных месторождений.

Анализ источников

Основным компонентом природных газов, биогаза является метан (СН4), содержание которого в зависимости от источника колеблется в широких пределах (от 50 до 90 %) объема. Кроме этого, в газах содержатся также другие газообразные углеводороды: этан (С2Н6), пропан (С3Н8), бутан (С4Н10), а также азот (N2), диоксид углерода (СО2), сероводород (Н28) и другие газы.

Основным преимуществом газовых топлив является их экологическая чистота: отсутствие оксидов металлов, свинца, ароматических углеводов, очень низкое содержание серы и т. д. Кроме того, газовые двигатели имеют, по сравнению с бензинами, более высокие значения октанового числа. Газообразные топлива транспортируют в баллонах в сжатом или сжиженном состоянии, а подаются непосредственно в цилиндры двигателя через подогреватель (или теплообменник-испаритель), редуктор и смеситель (форсунки). При этом независимо от агрегатного состояния транспортируемого газа в цилиндры двигателя поступает газовоздушнаясмесь [2].

Методы исследования

В ходе исследований использовались методы: экспериментальный, системного подхода, анализа и синтеза.

Основная часть

Для полного сгорания массовой или объемной единицы топлива необходимо определенное количество воздуха, которое называется теоретически необходимым и определяется по элементарному составу топлива. Зная элементарный состав топлива, можно расчетным путем определить теплоту сгорания и количество воздуха, необходимое для его полного сгорания [1].

Элементный состав жидких топлив (бензин, дизельное топливо) обычно выражается в единицах массы (кг), а газообразных - в объемных единицах (м3 или моль).

Для жидких топлив:

С+Н+О = 1, (1)

где С, Н и О - массовые доли углерода, водорода и кислорода в 1 кг топлива.

Для дизельного топлива (ДТ) элементный состав следующий:

С=0,86 кг, Н=0,14 кг, 0=0 кг.

Для газообразных топлив:

ЕС^а+^2 = 1, (2)

где С„НтОг - объемные доли каждого газа, входящего в 1 м или в 1 моль газообразного топлива; N - объемная доля азота.

Для пропан-бутановой смеси элементный состав следующий:

С= 0,822 кг, Н= 0,178 кг, 0=0 кг.

В дизельном двигателе впрыснутое в цилиндр топливо вызывает цепочку сложных химических превращений. Реагируют два вещества: это нагретый воздух и углеводородное топливо (дизельное и газовое). В качестве окислителя выступает кислород, которого в воздухе по массе содержится приблизительно 23,2 %, а по объему - 20,8 %. Теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг топлива рассчитывается по формуле:

для жидких топлив:

/= С+ 8Н-о1, кг; (3)

° 0,232 и )

для дизельного топлива 10 = 14,6 кг воздуха/кг топлива [3].

Низшая теплота сгорания дизельного топлива определяется по формуле Д. И. Менделеева: Ни = 33,91С +125,6Н -10,89 <>-£>2,51 $# + 0^ = 42500 кДж/кг [8].

Для газообразных топлив:

1 ^Г т

0 0,208 I 4 2

С НО

где Ь0 - теоретически необходимое количество воздуха в моль или м3 для сгорания 1 моль или 1 м3 топлива (моль воздуха/моль топлива или м3 воздуха/м3 топлива); 0,208 - объемное содержание кислорода в 1 кмоль воздуха.

Низшая теплота сгорания газа может быть рассчитана по формуле:

Ни = 332106с + 1090600н, кДж/кг. (4)

Зная процентное соотношение и низшую теплоту сгорания компонентов газа, низшая теплота сгорания может быть рассчитана более точно. В качестве примера газового топлива рассмотрим сжиженный нефтяной газ (пропан-бутан автомобильный (ПБА)), имеющий состав, представленный в табл. 1. Таблица 1. Состав сжиженного нефтяного газа марки ПБА (ГОСТ 27578-87) [4, 7]

Компонент Химическая формула % Ни, МДж/кг Количество теплоты, МДж/кг

Метан СН4 0,38 50 0,19

Этан С2Н6 5,95 42 2,50

Пропан С3Н8 50,54 46,35 23,43

Изобутан (СЩ3СН 13,03 45,75 5,96

Н. бутан С4Н10 29,74 45,75 13,61

Пентаны СЩСЩ3СН3 0,36 35 0,13

Итого - 100 - 45,81

Состав газа ПБА, представленный в табл. 1, имеет низшую теплоту сгорания (на 7,8 % выше ДТ). Теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг пропан-бутановой смеси 10 = 15,5 кг воздуха/ кг топлива [5].

Теплота сгорания, введенная в двигатель с топливом, обеспечивающая совершение полезной работы, несколько увеличиться при замещении ДТ - газом (рис. 1). Однако для сохранения мощности двигателя на уровне, установленном заводом-изготовителем при работе дизеля на ДТ и газе с достаточной точностью должно выполняться условие:

/ Одт ~ Ндт /Нг. (5)

В зависимости от условий работы двигателя, способа регулирования мощности, типа смесеобразования и условий сгорания топлива на каждую массовую или объемную единицу топлива приходится

количество воздуха, которое может быть больше, равно или меньше теоретически необходимого для полного сгорания топлива. Коэффициент избытка воздуха определяется по формуле:

(6)

а- — - —

1П

где I - действительное количества воздуха, участвующего в сгорании 1 кг топлива, (кг воздуха/ кг топлива); Ь - действительное количества воздуха, участвующего в сгорании 1 кг топлива, (моль воздуха/ моль топлива); 10 - теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива, (кг воздуха/ кг топлива); Ь0 - теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива, (моль воздуха/ моль топлива) [8].

Ни, МДж/кг

Рис. 1. Диаграмма теплоты сгорания топлива, введенного в двигатель при разной концентрации с газом марки ПБА

Расчет количества ДТ при заданном количестве газа представлен в табл. 2.

Таблица 2. Расчет количества ДТ при заданном количестве газа

47

46

45

44

43

42

41 - —

40 - —

39

ДТ Газ ПБА Теплота сгорания топлива, МДж/кг

Количество топлива в % по массе

100 - 42,50

89,22 10 42,50

78,45 20 42,50

67,66 30 42,50

56,88 40 42,50

46,11 50 42,50

35,33 60 42,50

24,55 70 42,50

13,78 80 42,50

2,99 90 42,50

- 92,77 42,50

Связь между действительным и стехиометрическим количеством воздуха выглядит следующим образом:

/0 = /'А> (?)

где ¡лв - молярная масса воздуха (//« = 28,96 кг/кмоль) [8].

Любое топливо имеет пределы воспламеняемости в смеси с воздухом. Для рассматриваемого газового топлива ПБА верхний предел воспламеняемости в смеси с воздухом, составляет 2,4 %, а нижний 8,4 % [1]. Следовательно, коэффициент избытка воздуха (а), соответствующий нижнему (а,,,,,^) и верхнему (а„,Л1.) пределу воспламеняемости находиться в пределах для СНГ 0,35-1,7 и для метана 0,6-2,0 [5, 9]. Работа современных дизеле происходит при а = 1,2-2,0, а максимальная скорость распространения пламени газа при а = 0,84-0,95 [9], то проведем расчет теплоты сгорания газового топлива при подачи его в дизель в диапазоне коэффициента избытка воздуха 1,0-2,0.

Теплота сгорания газового топлива не эквивалентна теплоте сгорания горючей смеси, поэтому законы аддитивности при расчетах не применимы [1]. Для газообразных топлив теплота сгорания горючей смеси при а> 1 может быть выражена следующими образом:

2 (8)

где Ни - удельная теплота сгорания единицы объема (массы) топлива, кДж/м3 (кДж/кг); М\ - количество горючей смеси, необходимой для сгорания 1 кг топлива, (кмоль/кг).

М1=с£0+ — ' ^

тт

где тТ - молярная масса топлива.

С целью упрощения расчетов и в связи с незначительностью 1/тТ - этой величиной можно пренебречь [8]. Тогда теплота сгорания горючей смеси:

^ н

аЬ,

Так как в цилиндрах реального двигателя участвует не горючая смесь, а так называемая рабочая, которая состоит из свежего заряда (горючей смеси) М\ и остаточных газов Мг, т. е части продуктов сгорания, не удаленной из цилиндра в процессе выпуска, то целесообразно теплоту сгорания топлива относить к общему количеству рабочей смеси:

для газообразных топлив теплота сгорания рабочей смеси при а>1 (МДж/кмоль рабочей смеси):

н Н Н (101

^Л __и __и_ __и_,

^ м1+м М+лТ Ь'Л+у ,

где Мг - количество остаточных газов, кмоль; у,- - коэффициент остаточных газов, для двигателей с наддувом уг = 0,03-0,04 [2].

Коэффициент остаточных газов определяется по формуле:

у (П)

' К

Теплоту сгорания рабочей смеси при а > 1 (МДж/кг) определим с учетом молярной масса воздуха по формуле:

_ Я,,//, (12)

Проведем расчет теплоты сгорания рабочей смеси дизельного, газового топлива, и их смеси в зависимости от коэффициента избытка воздуха (табл. 3).

Таблица 3. Теплота сгорания рабочей смеси, кДж/кг рабочей смеси

Топливо Теплота сгорания рабочей смеси, МДж/кг раб. см

Коэффициент избытка воздуха (а)

1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0

ДТ 81,73 74,30 68,11 62,87 58,38 54,49 51,08 48,08 45,41 43,02 40,87

ДТ 90%+ПБА 10% 81,87 74,43 68,23 62,98 58,48 54,58 51,17 48,16 45,49 43,09 40,94

ДТ 80%+ПБА 20% 82,01 74,55 68,34 63,08 58,58 54,67 51,25 48,24 45,56 43,17 41,01

ДТ 70%+ПБА 30% 82,15 74,68 68,46 63,19 58,68 54,77 51,34 48,32 45,64 43,24 41,08

ДТ 60%+ПБА 40% 82,29 74,80 68,57 63,30 58,78 54,86 51,43 48,40 45,72 43,31 41,15

ДТ 50%+ПБА 50% 82,43 74,93 68,69 63,41 58,88 54,95 51,52 48,49 45,80 43,39 41,22

ДТ 40%+ПБА 60% 82,56 75,06 68,80 63,51 58,97 55,04 51,60 48,57 45,87 43,46 41,28

ДТ 30%+ПБА 70% 82,70 75,18 68,92 63,62 59,07 55,13 51,69 48,65 45,95 43,53 41,35

ДТ 20%+ПБА 80% 82,84 75,31 69,03 63,73 59,17 55,23 51,78 48,73 46,03 43,60 41,42

ДТ 10%+ПБА 90% 82,98 75,43 69,15 63,83 59,27 55,32 51,86 48,81 46,10 43,68 41,49

ПБА 83,12 75,56 69,26 63,94 59,37 55,41 51,95 48,89 46,18 43,75 41,56

Как видно из табл. 3 теплота сгорания рабочей смеси ДТ и воздуха меньше теплоты сгорания рабочей смеси газа и воздуха на 0,15-1,54 % во всем представленном диапазоне.

Из уравнения (8) следует, что теплота сгорания рабочей смеси меняется пропорционально изменению теплоты сгорания горючей смеси. При одинаковых значениях коэффициента избытка воздуха теплота сгорания рабочей смеси увеличивается при уменьшении коэффициента остаточных газов [2]. График зависимости теплоты сгорания рабочей смеси топлива от коэффициента избытка воздуха а представлен на рис. 2.

Ораб см, МДЖ/КГ

раб см 90 -

Рис. 2. График зависимости теплоты сгорания рабочей смеси топлива от коэффициента избытка воздуха (а)

Аппроксимируя представленные данные (табл. 3), с достаточной точностью получили следующие эмпирические формулы теплоты сгорания рабочей смеси дизельного топлива и ПБА в зависимости от коэффициента избытка воздуха:

или

О й = 2750а1, (кДж/кмоль)

рао см

= 82а 1, (МДж/кг)

(13)

(14)

^раб см

Снижение а - один из эффективных путей форсировки рабочего процесса двигателя. Однако с уменьшением величины, а < 1 возникает «химическая» неполнота сгорания топлива, ухудшается экономичность и увеличивается термическая напряженность двигателя. Практически полное сгорание топлива в двигателе возможно только при а> 1, так на практике при а=1 невозможно получить такую совершенную смесь топлива с воздухом, в которой каждая частица топлива была бы обеспечена необходимым количеством кислорода воздуха [2].

Обобщенные аппроксимируемые зависимости токсичных компонентов отработавших газов двигателя Д-245^2, полученные в результате стендовых испытаний при работе на дизельном и газовом топливе марки ПБА в зависимости от коэффициента избытка воздуха на номинальном режиме представлены на рис. 3 [7].

80

/0

60

50

40

30

20

_1.8

0

12

1,4

16

18

20

2,2

%, Эмиссии

1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 3 а

Рис. 3. Обобщенные аппроксимируемые зависимости токсичных компонентов отработавших газов двигателя Д-245^2 при работе на дизельном и газовом топливе в зависимости от коэффициента избытка воздуха на номинальном режиме

Из графика видно, что с увеличением коэффициента избытка воздуха дымность отработавших газов (РТ) снижается, содержание углеводородов (СН) и угарного газа (СО) повышается.

Наиболее оптимальной областью работы дизеля с подачей ПБА, с точки зрения экологических показателей, является а = 1,3-1,7. При а > 2 наблюдается значительное увеличение количества несго-ревшего газа (СН), при а < 1,3 наблюдается значительное повышение дымности отработавших газов двигателя.

Заключение

1. Низшая теплота сгорания сжиженного нефтяной газа марки ПБА 45,81 МДж/кг, что на 7,8 % выше ДТ.

2. Теплота сгорания рабочей смеси ДТ и воздуха меньше теплоты сгорания рабочей смеси газа и воздуха на 0,15-1,54 %.

3. Получены эмпирические зависимости теплоты сгорания рабочей смеси дизельного топлива и ПБА в зависимости от коэффициента избытка воздуха.

4. Работа дизельного двигателя Д-245.582 на дизельном и газовом топливе марки ПБА, с точки зрения экологических показателей, целесообразна при коэффициенте избытка воздуха а = 1,3-1,7.

ЛИТЕРАТУРА

1. Альтернативные виды топлива для двигателей: монография / А. Н. Карташевич [и др.]. - Горки: БГСХА, 2012. - 376 с.

2. Колчин, А И. Расчет автомобильных и тракторных двигателей / А. И. Колчин, В. П. Демидов. - М., 2008. - 493 с.

3. Беспятый, Ф. С. Конструкция, основы теории и расчета тракторов / Ф. С. Беспятый, И. Ф. Троицкий. - М., 1972. - 502 с.

4. Паспорт качества сжиженного углеводородного топлива. РУП «Производственное объединение «Белоруснефть». -Речица, 2012.

5. Золотницкий, В. А. Автомобильные газовые топливные системы / В. А. Золотницкий. - М., 2005. - 83 с.

6. Газобаллонные автомобили / А. И. Морев [и др.]. - М., 1992. - 213 с.

7. Карташевич, А. Н. Влияние подачи газового топлива на экологические показатели дизеля / А. Н. Карташевич, П. Ю. Малышкин // Весник БГСХА. - 2013. - №3. - С. 110-115.

8. Карташевич, А. Н. ДВС. Основы теории и расчета / А. Н. Карташевич, Г. М. Кухаренок. - Горки, 2008. - 312 с.

9. Ассад, М. С. Альтернативные моторные топлива: тенденции развития, феноменологические аспекты горения: монография / М. С. Ассад. - Барановичи: РИО БарГУ, 2008. - 328 с.

УДК 631.353.722:631.352.022

Е. И. МАЖУГИН, А. Л. БОРИСОВ, А. В. ПАШКЕВИЧ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ И ВЯЗКОСТИ МАСЛА, ПРИМЕНЯЮЩЕГОСЯ В РЕДУКТОРЕ ПРИВОДА РЕЖУЩЕГО АППАРАТА МНОГОРОТОРНЫХ КОСИЛОК

(Поступила в редакцию 08.01.2015)

В статье обоснована необходимость определения The article bases the necessity of determination of density

плотности и вязкости масла, применяющегося в редукторе and viscosity of oil, applied in reducer of drive of cutting appa-привода режущего аппарата многороторных косилок. Опи- ratus of multi-rotor mowers. We have described methods of

сана методика проведения лабораторных исследований. conduction of laboratory research. We have presented obtained

Приведены полученные зависимости плотности и вязкости dependences of density and viscosity of oil on its temperature. масла от его температуры.

Введение

В режущих аппаратах многороторных косилок, выпускаемых белорусскими предприятиями, для смазывания шестерен редукторов привода роторов применяется смесь трансмиссионного масла ТЭп-15 и смазки общего назначения солидол Ж в равных долях [1,2].

Во время работы косилки в масле накапливаются продукты износа трущихся деталей привода. Это приводит к ускорению абразивного изнашиванию деталей привода, и, как следствие, к их преждевременному выходу из строя.

Для того чтобы снизить содержание механических примесей в масле нами предложено и запатентовано устройство для центробежной очистки масла в режущих аппаратах мелиоративных косилок [3]. Обоснование параметров и расчет ожидаемых результатов применения очистителя выполняются с использованием плотности и вязкости масла [4], причем в процессе работы косилок меняется температура окружающей среды, от которой зависит и температура масла, а также происходит нагревание масла в процессе работы косилки [5]. Данное положение требует исследования плотности и вязкости масла редукторов привода роторов многороторных косилок в зависимости от температуры.

Анализ источников

Вязкость масла напрямую зависит от его температуры и при различных температурах масла его вязкость также разная: чем выше температура, тем ниже вязкость. То же касается и плотности: с повышением температуры масла она уменьшается [6, 7].

Известны [8, 9] плотности солидола Ж и трансмиссионного масла ТЭп-15. При 20 °С, они соответственно равны 900 кг/м3 и 950 кг/м3. Для текучих смазочных материалов значения плотности и вязкости и их зависимости от температуры изучены достаточно хорошо [10].

К. К. Папок и Н. А. Рагозин в своей работе [6] для приведения плотности масла к 20 °С предлагают использовать формулу:

р20 = рг ±y(t±20), (1)