Анализ рабочего процесса дизеля при работе на смесевом биотопливе Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Т Р А Н С П О Р Т

УДК 621.436.038

АНАЛИЗ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ДИЗЕЛЯ ПРИ РАБОТЕ НА СМЕСЕВОМ БИОТОПЛИВЕ

Докт. хим. наук, чл.-кор. НАН Беларуси ИВАШКЕВИЧ О. А., докт. техн. наук, проф. КУХАРЕНОК Г. М., канд. техн. наук ПЕТРУЧЕНКО А. Н., канд. хим. наук ГРИГОРЬЕВ Ю. В.,

асп. ЗЕЛЕНКОВ А. А.

Белорусский национальный технический университет, НИИ физико-химических проблем Белорусского государственного университета

По прогнозам международного энергетического агентства, мировое потребление энергии на планете увеличится до 2010 г. по сравнению с настоящим уровнем на 50 %. Одним из основных потребителей энергоресурсов является транспорт, на долю которого приходится 70 % суммарного потребления нефтепродуктов.

Относительная ограниченность запасов нефти, обострение экологических проблем ужесточают требования к экологическим и потребительским свойствам топлив, что определяет актуальность исследований и разработок, направленных на диверсификацию сырьевой базы, поиск эффективных и экологически чистых топлив из нетрадиционных источников сырья, так называемых альтернативных моторных топлив.

Мировой опыт производства и применения альтернативных топлив свидетельствует о том, что одним из перспективных направлений является использование в качестве моторного топлива смесей с дизельным топливом или в чистом виде метиловых эфиров жирных кислот рапсового масла (МЭЖК) [1-3].

Эти топлива по своим физико-химическим свойствам отличаются от традиционного топлива, приводят к изменению протекания процессов в цилиндре двигателя [4-6]. Поэтому решение вопроса о возможности применения биотоплив связано с проведением исследовательских работ по оценке их влияния на экологические и динамические показатели процесса сгорания, характеристики выгорания топлива и индикаторные показатели цикла.

Для исследования рабочего процесса дизеля при работе на биотопливах необходимо совершенствование математических моделей путем включения в расчетные методики новых факторов, учитывающих состав и физико-химические свойства этих топлив. Исходной являлась математическая модель, приведенная в [7]. При ее реализации учитывалось влияние добавки метилового эфира на показатели смесевого топлива.

Динамическая вязкость смесевого топлива от концентрации МЭЖК аппроксимируется полиномом четвертого порядка

цСм = 7,02 - 2,04ССм - 13,03 С^ +

+ 21,39 См + 10,18С1. (1)

где Ссм - массовая доля МЭЖК в смеси биотоплива.

Коэффициент поверхностного натяжения топлива ссм определяется физическими свойствами жидкости и зависит от природы составных компонентов жидкого топлива. Изменение коэффициента поверхностного натяжения, вызванное варьированием состава смесевого биотоплива, можно рассчитать по следующей регрессионной зависимости:

аСм = 30,7 - 6,89ССм - 12,63Сс2м + + 18,67Сс3м + 10,3310,33Сс4м. (2)

Для определения максимальной степени снижения скорости испарения топлива %0 при изменении температуры стенок камеры сгора-

ния от 270 до 700 °С целесообразно использовать эмпирическую зависимость

Хо = % +

Т - т ' т - т

(3)

где ду и - доли цикловои подачи топлива, распыленного в объеме камеры сгорания и достигшего ее стенок; Тк, Тм, Т„ - соответственно критическая температура фазового перехода жидкого топлива в пар, средняя молекулярная температура кипения топлива, температура стенки.

Средняя молекулярная температура кипения топлива Тм определяется его фракционным составом. Для нахождения величины Тм необходимо определить среднеобъемную температуру Тср.о и скорректировать полученное значение на величину поправки ДТм. Среднеобъемная температура может быть определена по однои из следующих зависимостей:

Т = ^10 + ^20 + ^30 + ^40 + ^50 + ^60 " ср.о

9

+^70 + ^80 + ^90 + 273

или

Т = ^нк + 450 + ^кк + 273

ср.о " 6 +

(4)

(5)

где ¿10-90 - температуры выкипания 10-90 % топлива; ¿нк и ¿кк - соответственно температуры начала и конца кипения.

Температуры, необходимые для нахождения среднеобъемной температуры Тср.о, получены при определении фракционного состава смесе-вых топлив. Температурная поправка определяется из графика, представленного на рис. 1.

-20

N X

93 К

.л \

312 А

0

1

2

0,%

5

Рис. 1. График для нахождения поправки при определении средней молекулярной температуры кипения топлива в зависимости от наклона кривой разгонки 0

Значение коэффициента избытка воздуха определяется элементным составом топлива.

Метиловый эфир имеет состав, отличающийся по массовому содержанию углерода, водорода и кислорода от дизельного топлива. Поэтому при определении расчетного значения коэффициента избытка воздуха для биотоплива необходимо учитывать изменение массового баланса.

В общем случае коэффициент избытка воздуха определяется по следующей зависимости:

Ма

а =

ЗА (1 + Уг )'

(6)

где Ма - количество свежего заряда, поступившего в цилиндр дизеля за такт впуска; уг -коэффициент остаточных газов; 10 - количество воздуха, теоретически необходимого для сгорания 1 кг топлива; Оц - цикловая подача топлива.

Величина 10 определяется элементным составом топлива. Для исследуемых смесевых топлив значение параметра 10 находится по соотношению:

10 =

1

0,21 + С

(1 - Ссм )

§ Ссм + 12

§ С т т

12

§ Нсм

4

§ Осм

32

32

(7)

где §Ст, §Нт, §От - соответственно массовые доли углерода, водорода и кислорода в дизельном топливе; §ссм , &Нсм , &Осм - соответственно

массовые доли углерода, водорода и кислорода в МЭЖК.

Значение коэффициента сжимаемости топлива можно получить с помощью эмпирической зависимости. Этот параметр зависит от величины текущего давления топлива р, его плотности рсм, динамической вязкости псм и коэффициента поверхностного натяжения ссм. Для смесевого дизельного топлива коэффициент сжимаемости рсм определяется из следующей эмпирической зависимости:

Л

Рсм°с

-0,11

(8)

-0,875x10

|-7_Р

х е

9

0

Дí, °С

Низшая теплотворная способность МЭЖК ниже, чем у дизельного топлива, а плотность выше. При проведении расчетов теплотворная способность и плотность смесевого топлива находятся с учетом массовой доли МЭЖК в биотопливе.

Первый этап расчетов предполагал проверку адекватности математической модели с целью получения адекватных значений выходных величин и оценки возможностей использования модели для проведения расчетных исследований рабочего процесса дизельного двигателя. Расчетные показатели сравнивали с результатами индицирования двигателя, выполненными на ММЗ.

Основные параметры рабочего процесса (максимальные давление и температура цикла, удельный индикаторный расход топлива и среднее индикаторное давление), полученные при обработке экспериментальных индикаторных диаграмм и расчетным путем, отличаются на 1-3 %. Изменение коэффициента избытка воздуха и условной продолжительности сгорания, характер протекания интегральных особенностей выгорания топлива, определенных при моделировании рабочего процесса, сохраняют тенденции, присущие результатам экспериментальных исследований.

Таким образом, разработанная математическая модель рабочего процесса дизельного двигателя, учитывающая физико-химические свойства применяемых топлив, достаточно точно описывает процессы, протекающие в цилиндре дизеля при сгорании биотоплив, и может быть использована для оценки влияния свойств сме-севых топлив на показатели его работы.

Были проведены расчетные исследования рабочего процесса дизеля 4ЧН 11/12,5 с литровой мощностью 18 кВт/л на скоростных режимах п = 2200; 1600 и 1200 мин 1 при полной подаче топлива и постоянной величине угла опережения впрыска топлива - 3 град. ПКВ.

Концентрация МЭЖК в дизельном топливе составляла 5; 10; 20; 30; 50 и 75 % по массе. Для проведения сравнительного анализа расчетные исследования проводились для дизеля, работающего и на «чистом» МЭЖК.

В качестве оценочных показателей работы дизеля на смесевых топливах были взяты

экономические, экологические и динамические показатели рабочего процесса.

Расчетные индикаторные диаграммы и зависимости изменения температуры газов в цилиндре для номинального режима работы дизеля на топливах с различной концентрацией МЭЖК показаны на рис. 2 и 3.

р, МПа

^ ч 4

л // 2 1 к \\ V Л X 3

/

340 350 360 370 380 град. 400

^ ПКВ

Рис. 2. Участок индикаторных диаграмм дизеля при применении различных топлив: п = 2200 мин-1; 1 - ДТ; 2 - 5 % МЭЖК; 3 - 30 % МЭЖК; 4 - 50 % МЭЖК;

5 - 100 % МЭЖК

Как видно из индикаторных диаграмм (рис. 2), по мере увеличения концентрации МЭ в дизельном топливе происходит рост максимального давления цикла. При концентрации МЭЖК 5 и 10 % прирост максимального давления не существен - менее 1%. При содержании 20 % МЭЖК в дизельном топливе увеличение максимального давления составляет 2,5 %. Наиболее высокая величина максимального давления соответствует работе дизеля на «чистом» МЭЖК. По отношению к дизельному топливу это увеличение составляет: при п = = 2200 мин-1 - 0,97 МПа (9 %); при п = =1600 мин-1 - 2,02 МПа (17,4 %); при п = = 1200 мин-1 - 0,5 МПа (4,8 %).

Увеличение максимального давления цикла при росте концентрации МЭЖК сопровождается повышением скорости нарастания давления в процессе сгорания.

Из анализа зависимостей изменения температуры газов в цилиндре дизеля (рис. 3) следует, что увеличение концентрации МЭЖК ведет к росту максимальной температуры цикла. При концентрации МЭЖК в смесевом топливе до

8

6

4

10 % максимальная температура цикла увеличивается незначительно.

2100

0,04

5 \ у \

/// __3 Ч\\ \у / 1 2 /

4^ г

Т, К

1500

1200

900

340 360 380 400 420 440 ф град. 480

ПКВ

Рис. 3. Диаграммы температур газов при применении дизельного, смесевых топлив и метилового эфира: п = = 2200 мин-1; 1 - ДТ; 2 - 5 % МЭЖК; 3 - 30 % МЭЖК;

4 - 50 % МЭЖК; 5 - 100 % МЭЖК

Увеличение максимальной температуры цикла при применении 50 % смеси и «чистого» МЭЖК для скоростного режима 2200 мин-1 составляет примерно 2-2,5 %.

Относительный рост максимальных значений температуры и давления при моделировании рабочего цикла дизеля, работающего на 5-10 % смеси МЭЖК с нефтяным дизельным топливом, составляет 0,1-0,3 %.

Как видно из зависимостей, приведенных на рис. 4, увеличение концентрации МЭЖК в сме-севом топливе вызывает рост максимальной скорости сгорания йх / й ф; по сравнению с дизельным топливом эта величина выше на 30 %. Сгорание «чистого» МЭЖК начинается раньше на 2 град. ПКВ, чем нефтяного и смесевых топлив с концентрацией МЭЖК до 10 %. Таким образом, основными факторами, определяющими высокие значения скорости нарастания давления и максимального давления цикла являются высокая максимальная скорость сгорания топлива и более раннее его воспламенение.

Выгорание в цилиндре смеси дизельного топлива и 30 % метилового эфира протекает достаточно интенсивно и равномерно. Несмотря на более низкие значения максимальной скорости выгорания биотоплива, содержащего 30 % метилового эфира, при работе на скоростных режимах п = 2200 и 1200 мин-1 продолжительность выгорания 80%-й цикловой подачи сокращается на ~2 град. ПКВ.

йх й ф

0,03 —

0,02

0,01

^^ / Л^ —4 \л

* 1 2 \ V

3 -

0

360 370 380 390 400 410 420 ф,

град. ПКВ

440

Рис. 4. Расчетная дифференциальная характеристика выгорания топлива при применении дизельного, смесевых топлив и метилового эфира: п = 2200 мин-1; 1 - ДТ; 2 - 5 % МЭЖК; 3 - 30 % МЭЖК; 4 - 50 % МЭЖК;

5 - 100 % МЭЖК

Продолжительность сгорания топлива ф2 по мере снижения частоты вращения коленчатого вала уменьшается: при п = 2200 мин-1 фг = = 83-88 град. ПКВ; при п = 1600 мин-1 ф2 = = 80-84 град. ПКВ; при п = 1200 мин1 фг = = 75-80 град. ПКВ. Меньшие значения соответствуют смеси, содержащей 30 % МЭЖК.

Раннее воспламенение, невысокие значения скоростей выгорания и сокращение продолжительности сгорания топлива обусловлены изменением физико-химических свойств смесево-го топлива.

1,0 1 х 0,8 -■ 0,7" 0,6 -0,50,40,30,2 -0,1 " 0 -

5 —

\

1

4 М/

\

Ч3

360 370 380 390 400 410 420 град. 440

ф,

ПКВ

Рис. 5. Интегральная характеристика выгорания топлива при применении дизельного, смесевых топлив и метилового эфира: п = 2200 мин-1; 1 - ДТ; 2 - 5 % МЭЖК;

3 - 30 % МЭЖК; 4 - 50 % МЭЖК; 5 - 100 % МЭЖК

Особенности развития процессов сгорания отразились на показателях работы дизеля (табл. 1). По сравнению с дизельным топливом

среднее эффективное давление при применении метилового эфира уменьшилось на 0,126 МПа (11,2 %) при частоте вращения коленчатого вала 2200 мин- . Его снижение на смесевых топ-ливах обусловлено их меньшей теплотворностью, этот показатель для метилового эфира на 14 % меньше, чем для дизельного топлива.

Увеличенное содержание кислорода в биотопливе интенсифицирует процесс сгорания, что ведет к уменьшению выбросов углеводородов, угарного газа и твердых частиц, однако топлива с повышенным содержанием кислорода имеют тенденцию к росту эмиссии окислов азота [8].

Путем обработки экспериментальных данных была построена регрессионная зависимость, связывающая максимальную температуру Ттах и давление ртах сгорания, коэффициент избытка воздуха а и среднее индикаторное давление pi с количеством окислов азота, образующихся в процессе сгорания:

М„п =-54,06 + 8,06а - 0,86а2 +

-0,0477тах -1,110-571х

"0,53^х -

-0,018р2ах - 7,04рг + 3,035р].

(9)

Результаты расчетов по (9) показали, что с ростом концентрации МЭЖК в смесевом топливе содержание окислов азота в продуктах сгорания увеличивается незначительно: 4-5 % - при применении 50%-й смеси на номинальном режиме работы.

Был выполнен расчетный анализ показателей рабочего цикла дизеля 4ЧН 11/12,5 с литровой мощностью 23 кВт/л при работе на различных топливах, а также определены показатели рабочего процесса исследованных дизелей на всех скоростных режимах при неизменном крутящем моменте. Они показали, что индикаторные диаграммы, графики температуры, а также дифференциальные и интегральные характеристики выгорания топлива идентичны рассмотренным зависимостям. Сохраняются ранее установленные закономерности изменения удельного индикаторного расхода топлива.

Таблица 1

Результаты расчетных исследований рабочих процессов дизеля (Чел = 18 кВт/л)

Топливо п, мин 1 рmax, МПа ^ Ртах, град. ПКВ П §г, г/(кВт-ч) Ттах, К Ф"тах, град. ПКВ а q, мм3 фг, град. ПКВ

Дизельное 2200 10,748 8 0,4543 186,4 1962,0 32 2,162 90,5 82,0

1600 11,605 11 0,4698 180,3 2074,1 24 2,022 103,8 87,5

1200 10,434 12 0,4700 180,2 2299,4 24 1,588 86,1 80,0

Смесь 5%-я 2200 10,756 8 0,455 187,3 1990,3 31 2,166 90,6 83,0

1600 11,142 11 0,4648 183,4 2079,2 27 2,039 103,9 87,5

1200 10,452 12 0,4704 181,2 2313,2 23 1,590 86,3 78,0

Смесь 30%-я 2200 10,821 9 0,4582 192,2 1994,4 30 2,148 92,9 80,0

1600 11,295 9 0,4687 187,9 2092,1 25 2,066 103,7 85,5

1200 10,492 12 0,4734 186,0 2328,8 22 1,624 85,9 70,0

Смесь 50%-я 2200 10,985 13 0,4618 198,7 2036,3 25 2,263 89,4 82,5

1600 12,75 10 0,4746 191,9 2088,0 22 2,199 98,7 70,5

1200 10,506 12 0,4793 190,6 2345,6 19 1,620 87,3 65,0

Метиловый эфир 2200 11,718 13 0,4754 207,0 2057,1 36 2,322 90,4 85,0

1600 12,927 12 0,4807 203,4 2138,1 30 2,200 102,1 72,0

1200 10,942 13 0,4806 203,5 2381,1 28 1,660 89,8 66,5

В Ы В О Д

Применение смесей дизельного топлива и метилового эфира жирных кислот рапсового масла с концентрацией до 5 % не оказывает заметного влияния на экологические и экономи-

ческие показатели двигателя, а также на динамические показатели процесса сгорания. Увеличение содержания МЭЖК в смеси с дизельным топливом приводит к уменьшению токсичности продуктов сгорания при незначительном росте удельного расхода топлива; при

этом возрастают скорость сгорания топлива, максимальные давление и температура рабочего процесса. Отмеченное увеличение динамических показателей процесса сгорания находится в допустимых пределах.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Голубов, О. С. Перспективы та пераваги застосу-вання бюдизеля в паливно-енергетичному комплексе краши / О. С. Голубов, Я. В. Загоруй // Проблеми хь мотологи: матер1али I Междунар. навук.-техн. конф. - К.: Книжкове вид-во НАУ, 2006. - С. 260-262.

2. Рапсовое масло как альтернативное топливо для дизеля / В. А. Марков [и др.] // Автомобильная промышленность. - 2006. - № 2. - С. 3-8.

3. Исследования рабочего процесса тракторного дизеля при работе на смеси дизельного топлива и рапсового масла / Л. Н. Басистый [и др.] // Вестник РУНД. Сер. тепловых двигателей. - 1996. - № 1. - С. 30-36.

4. Разлейцев, Н. Ф. Моделирование и оптимизация процесса сгорания в дизелях / Н. Ф. Разлейцев. - Харьков: Вища шк., Из-во при Харьк. ун-те, 1980. - 169 с.

5. Теоретические основы химмотологии / под ред. А. А. Браткова. - М.: Химия, 1985. - 320 с.

6. Двигатели внутреннего сгорания: системы поршневых и комбинированных двигателей: учеб. для вузов по специальности «Двигатели внутреннего сгорания» / С. И. Ефимов [и др.]; под общ. ред. А. С. Орлина, М. Г. Круг-лова. - М.: Машиностроение, 1985. - 456 с.

7. Лышевский, А. С. Методика статического расчета давлений в топливных системах дизелей / А. С. Лышевский, В. М. Сычев // Научные труды НПИ. - Новочеркасск, 1971. - Т. 224. - С. 3-42.

8. Смирнова, Т. Н. Биодизель - альтернативное топливо для дизелей / Т. Н. Смирнова, В. М. Подгаецкий // Двигатель. - 2007. - № 1. - С. 32-35.

Поступила 19.09.2007

УДК 629.113-592.004.58

МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ СИСТЕМА БОРТОВОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ СТЕПЕНИ ИЗНОСА ФРИКЦИОННЫХ НАКЛАДОК ВЕДОМОГО ДИСКА СЦЕПЛЕНИЯ

Докт. техн. наук КАРПИЕВИЧЮ. Д.

Белорусский национальный технический университет

Сложившийся в прошлом столетии и получивший наибольшее распространение регламентный характер контрольно-диагностических работ не может обеспечить требуемого уровня технического состояния автотранспортных средств, так как не учитывает индивидуальные особенности каждого автомобиля, условия его эксплуатации, технического обслуживания и проведенные ранее ремонтные воздействия.

Внешние средства диагностирования также не позволяют своевременно выявить внезапные отказы, что отрицательно сказывается на безопасности, а в силу планово-предупредительного или эпизодического характера контрольно-диагностических работ недостаточно эффективны и при выявлении постепенных отказов.

Именно стремление снять указанные ограничения стимулировало у нас и за рубежом разработку бортовых систем диагностирования автотранспортных средств.

Идентичность функциональных структур микропроцессорных систем управления и бортового диагностирования позволяет за счет совместного использования общей аппаратуры (датчиков, исполнительных механизмов, микроЭВМ) обеспечить непрерывный контроль системы и объекта управления без использования каких-либо специализированных технических средств и избежать тем самым необоснованного усложнения конструкции колесных и гусеничных машин и необходимости разработки дополнительного диагностического оборудования [1].