CC BY
69
УДК 504:662.756:621.436
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ СОСТАВА БИНАРНЫХ СМЕСЕЙ БИОДИЗЕЛЬНОГО И ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА НА ПОКАЗАТЕЛИ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ
В.Г. Семёнов, доцент, к.т.н., Национальный технический университет «ХПИ», М.Н. Лылка, Казённое предприятие «Харьковское конструкторское бюро по двигателестроению»
Аннотация. В результате экспериментальных исследований определены физикохимические показатели бинарных смесей В10, В25 и В50 биодизельного и дизельного топлив. Меньшие значения теплоты сгорания бинарных смесей приводят к росту затрат топлива при неизменных значениях эффективного КПД, а также к уменьшению величины номинальной мощности двигателя. Определены экологические характеристики двигателя при его работе на нагрузочных и скоростных режимах. Для оценки надежности работы двигателя на биодизельном топливе необходимы длительные испытания.
Ключевые слова: дизельный двигатель, плотность, вязкость, теплота сгорания, эффективный КПД, экологические характеристики.
Введение
Экономия энергоносителей нефтяного происхождения, ужесточение норм выбросов вредных веществ с отработавшими газами дизелей, а также ограничение эмиссии диоксида углерода заставляют большинство стран искать пути снижения опасности влияния тепловых двигателей на окружающую среду.
Для дизельных двигателей широкое распространение в Европе и США получило биодизельное топливо (биодизель), представляющее из себя смесь метиловых (этиловых) эфиров жирных кислот. Источниками сырья для получения биодизеля служат семена маслосодержащих растений, фритюрный жир, отходы мясокомбинатов и др. В настоящее время в Украине десятки фирм и предприятий производят биоустановки для получения биодизеля мощностью 300-30000 тонн/год. На основании изложенного можно предположить, что в ближайшем будущем транспортные средства с дизельными двигателями (сельхозмашины, тепловозы, суда, грузовые автомобили и др.) будут переводиться на биодизельное топливо.
Анализ публикаций
Как отмечается в работе [1], каждый тип дизельного двигателя: с объёмным DI (direct injection) или вихрекамерным IDI (indirect injection), способами смесеобразования, подвергаемый конвертации при переходе на биодизель, должен быть ис-
пытан с целью проверки его экологоэкономических характеристик и показателей надёжности. Проведенный анализ показателей работы дизелей DI и ГО1 [1, 2, 3] показал, что не возникает проблем с применением биодизеля (БД) и его бинарных смесей с дизельным топливом (ДТ) в качестве энергоносителя. Одним из главных условий нормальной работы дизельных двигателей является хорошее качество биодизеля, которое обеспечивается жёсткими требованиями к его физико-химическим показателям, заложенными в Европейском стандарте EN 14214:2003.
В табл. 1 приведено сравнение некоторых физико-химических показателей ДТ и БД, значение которых необходимо для анализа параметров рабочего процесса дизеля.
Остановимся более подробно на методике определения физико-химических показателей биодизеля.
Используя метод газожидкостной хроматографии [4], был определен состав смеси метиловых эфиров жирных кислот, входящих в применяемый биодизель. Насыщенные кислоты: миристиновая С14:0 - 6,42 %; пальмитиновая С16:0 - 22,62 %; стеариновая С18:0 - 8,34 %; арахиновая С20:0 -1,15 %; бегеновая С22:0 - 0,95 %; ненасыщенные: тетрадеценовая С14:1 - 0,91%; олеиновая С18:1 -46,98 %; линолевая С18:2 - 11,63 %; эруковая С22:1 - 1,00 %. Йодное число ИЧ характеризует
Т аблица 1 Физико-химические показатели дизельного топлива и биодизеля
Показатели Т опливо
ДТ БД
С, % 87,0 76,5
Н, % 12,6 12,4
О, % 0,4 11,1
тВ, кг/кмоль 200 288
МО, кмоль/кг 0,497 0,437
LO, кг/кг 14,34 12,60
Qн, МДж/кг 42,5 37,2
Химическая формула С14.5 Н25 О0.05 С18.4 Н35.3 О2
р200, кг/м3 825 882
0 2 V20 , мм /с 3,05 6,05
Сера, % 0,067 0,012
Зольность, % 0,0100 0,0039
ИЧ, J2 г/100 г 6 62
окислительную способность биодизеля и зависит от процентного содержания в нём метиловых эфиров ненасыщенных кислот. Величина низшей теплоты сгорания QH биодизеля определялась на основании его состава и экспериментальных данных, представленных в работах [5, 6]. Плотность р и кинематическая вязкость V исследуемых сме-севых топлив, зольность и количество серы в них определялись в химмотологической лаборатории. Для дизельного топлива численные значения величин С, Н и О; тВ, QH и ИЧ брались из литературных источников.
Цель и постановка задачи
В данной статье приводятся результаты стендовых испытаний дизеля 348,8/8,2 с водяным охлаждением при работе на дизельном топливе и его бинарных смесях с биодизелем.
Объект испытания - дизельный двигатель 3ДТ (48,8/8,2), выпускаемый КП ХКБД. Основные технико-экономические показатели двигателя: четырёхтактный, трёхцилиндровый, вихрекамерный (ГО1) дизельный двигатель номинальной мощностью 16,2 кВт при частоте вращения 2200 мин-1, диаметр цилиндра 88 мм и ход поршня 82 мм, степень сжатия е = 18,5 объём вихревой камеры с соединительным каналом равен 13,1 см3. Форсунка закрытого типа, диаметр рас-пыливающего отверстия 0,37 мм, давление затяжки иглы форсунки 18 ± 0,5 МПа, максимальное давление впрыскивания топлива - 50 МПа. Геометрический угол опережения начала подачи топлива, который обеспечивает минимальный удельный эффективный расход исследуемых топлив, соответствует 15° п.к.в. до ВМТ. Помимо стандартных измерений показателей работы двигателя (частота вращения коленчатого вала п, мощность №, часовой расход топлива Вч, температура отработавших газов ^, барометрическое давление В0 и температура окружающей среды), определяли в продуктах сгорания оксид углерода
СО и суммарные углеводороды СН, оксиды азота NOx, измеряли плотность отработавших газов Д. Для этого заводской испытательный стенд промышленного производства был оснащён газоанализаторами ГИАМ-24 и Клён-22, дымомером ИДС-1М. Комплектовка дизеля соответствовала условию определения эксплуатационной мощности. При испытаниях атмосферное давление и температура окружающей среды находились, соответственно в пределах (740-750) мм рт. ст. и (34-36) °С.
Влияние физических показателей на характеристики топливной аппаратуры
Рассмотрим влияние физических показателей (плотность и вязкость) ДТ и БД на характеристики топливной аппаратуры. Если плотность топлива обуславливает массовую цикловую подачу топлива, то от вязкости зависят утечки топлива через зазоры прецизионных пар топливной аппаратуры, степень дросселирования топлива в наполнительных и отсечных отверстиях втулки плунжера при их открытии и закрытии, а также в сопловом отверстии распылителя форсунки. От вязкости и коэффициента сжимаемости топлива зависит коэффициент подачи топливного насоса высокого давления (ТНВД), действительный угол опережения подачи топлива и объемная подача топлива. На безмоторном стенде была определена производительность топливной аппаратуры дизеля 3ДТ по внешней характеристике при работе ДТ и БД. Зависимость цикловой подачи топлива от частоты вращения кулачкового вала ТНВД представлена в табл. 2. До и после испытаний определялось гидравлическое сопротивление распылителей форсунок методом пролива топлива под давлением 4 МПа. За время испытаний гидравлическое сопротивление распылителей форсунок не изменилось, пролив топлива через распылители для секций ТНВД составил, соответственно, 515, 480, 525 г/мин.
Т аблица 2 Результаты испытаний топливной аппаратуры дизеля 3ДТА
пкв, мин-1 ДТ, gц , мм3/цикл БД, gц , мм3/цикл
1200 2,7 3,6
1150 27,6 27,0
1100 35,4 38,8
1000 35,2 40,7
900 36,0 39,6
800 35,4 39,4
Испытаниям были подвергнуты топлива различного состава - чистое дизельное топливо ДТ и его объёмные бинарные смеси с биодизелем БД: В10 (10 % БД + 90 % ДТ), В25 (25 % БД + 75 % ДТ), В50 (50 % БД + 50 % ДТ). Вначале снимались внешние скоростные характеристики на каждом из исследуемых топлив. При этом положение упора рейки топливного насоса высокого давления оставалось неизменным. Результаты испытаний приведены в табл. 3 (опыты 17 - 28, 45 - 48). Там же представлены показатели работы двигателя на режимах нагрузочных характеристик при п = 1600 мин-1 и 2200 мин-1, мощности № = 10%, 25 %, 50 % и 75 % от № ном. (опыты 1 - 16, 29 - 44).
Результаты исследований
При анализе топливной экономичности двигателя, работающего на топливах с различной низшей теплотой сгорания, интересным является введение величины = ge х QH, которая характеризует
количество теплоты, введенной в цилиндр для совершения единицы работы. При расчёте коэффициента избытка воздуха а, удельного эффективного расхода топлива g'e, эффективного КПД Пе и количества диоксида углерода СО2 в отработавших газах двигателя, работающего на бинарных топливных смесях, необходимо знать величину 0™, Мосм и Ссм для топлив В10, В25 и В50. Значение этих величин определялось по соотношениям:
от=°дт Ат -Рдт + ебд Ад •Рбд)/ Рсм, МДж/кг
Мосм = (Модт • 8дт • Рдт + бнбд • 8бд • Рбд)/ Рсм кмоль/к^ ССм = (Сдт • 8дт • Рдт + ббд Ад • Рбд)/ Рсм ,
Рсм = Рдт • 8дт + Рбд • 8бд , кг/м3,
где Рдт и 5бд - относительные доли ДТ и БД в бинарных топливах; Рдт, Рбд и Рсм - плотность ДТ, БД и их смесей.
Рассмотрим характер изменения показателей работы дизельного двигателя 3ДТ на режимах на-
грузочных характеристик при применении различных видов топлив (табл. 3).
На всех режимах нагрузочных характеристик по мере роста доли биодизеля в бинарных топливных смесях и связанным с этим уменьшением их
0 см
н , монотонно увеличивается часовой и удельный эффективный расходы топлива. При этом необходимо отметить практически одинаковую эффективность (^'г и пе) преобразования химической энергии сгораемого топлива в совершаемую работу для всех видов топлив. Коэффициент избытка воздуха а, температура отработавших газов ^ и объёмная цикловая порция топлива 0ц на каждом из режимов нагрузочных характеристик изменялись незначительно. Величину а определяли с учётом условий на впуске в двигатель по соотношению
а = Пу • Mh/(gц •мо^
где Пу = 0,95 ^ 0,96 - коэффициент наполнения; Ык - потенциальный заряд, кмоль; gц - цикловая порция топлива, кг/цикл.
Мало изменяющиеся значения величин а и Qц на каждом из режимов нагрузочных характеристик обеспечивают идентичность протекания рабочего процесса в цилиндре двигателя при его работе на различных видах топлив.
На режимах внешних скоростных характеристик в диапазоне п = 1600^2200 мин-1 характер изменения показателей работы двигателя на ДТ и В10^В50 идентичен (см. табл. 3). Из-за снижения механического КПД по мере роста частоты вращения уменьшается пе и, как следствие, увеличиваются ge и g'e.
При переходе от дизельного топлива к бинарной смеси В50 из-за повышения плотности на 3,5% и вязкости на 42 % уменьшаются утечки топлива в зазоре плунжер-втулка плунжера, что приводит к росту цикловых подач на 5,5^7 % (см. табл. 3, опыты 17 - 28). При п = 2200 мин-1 из-за роста Р и V по мере перехода от ДТ к В50 происходит снижение эффективности наполнения надплунжер-ного пространства и цикловая подача практически одинакова (см. табл. 2, опыты 45 - 48), при этом на 13% уменьшается общий уровень gц, что приводит к повышению а и снижению % уменьшению крутящего момента.
В части экологических показателей следует отметить главные отличия биодизеля, связанные с наличием в молекуле метиловых эфиров кислорода (10 - 11 %) [1, 2, 7]:
- более полное сгорание и меньший выход вредных компонентов (СО, СН и дымность);
- больший выход N0^
Т аблица 3 Нагрузочные и внешние скоростные характеристики дизельного двигателя 3ДТА (Ч88/82) при работе на различных видах топлива
а О % Вид топли- ва №, кВт Вч, кг/ч &, г/ кВт-ч g'e, МДж/ кВт-ч а °С % gц-103, г/ цикл Qц, мм3/ цикл СО2, кг/ч №т, ррт ^СН, ррт ^N0» ррт Д, %
п = 1600 мин-1
1 ДТ 1,26 1,22 964,6 41,00 4,20 155 8,8 8,47 10,27 3,89 880 60 240 2
2 В10 1,25 1,32 1056,0 44,25 3,95 155 8,1 9,17 11,04 4,16 960 70 200 16
3 В25 1,25 1,36 1088,0 44,72 3,89 160 8,1 9,44 11,25 4,20 1050 60 170 9
4 В50 1,25 1,40 1120,0 44,57 3,85 160 8,1 9,72 11,39 4,19 1111 60 130 17
5 ДТ 3,09 1,50 485,7 20,40 3,39 200 17,4 10,42 12,63 4,78 500 70 320 2
6 В10 3,09 1,55 501,8 21,03 3,34 200 17,1 10,76 12,95 4,88 530 70 300 18
7 В25 3,09 1,58 511,6 21,30 3,33 200 17,1 10,97 13,07 4,88 600 70 250 8
8 В50 2,94 1,58 537,2 21,38 3,40 203 16,8 10,97 12,85 4,73 660 70 220 20
9 ДТ 6,32 2,07 327,4 13,91 2,44 275 25,9 14,37 17,42 6,60 340 70 450 8
10 В10 6,25 2,15 343,9 14,41 2,38 275 25,0 14,93 17,97 6,77 360 70 430 19
11 В25 6,25 2,20 352,0 14,47 2,37 275 24,9 15,28 18,20 6,79 370 70 380 11
12 В50 6,25 2,22 355,2 14,14 2,41 270 25,5 15,42 18,07 6,64 390 70 340 24
13 ДТ 9,56 2,89 302,3 12,85 1,75 380 28,0 20,06 24,32 9,22 410 80 540 15
14 В10 9,34 2,89 309,5 12,97 1,76 380 27,7 20,07 24,16 9,10 420 80 490 23
15 В25 9,34 2,93 313,8 12,90 1,78 370 27,9 20,39 24,29 9,05 470 80 460 17
16 В50 9,26 3,00 323,8 12,89 1,79 360 27,9 20,83 24,41 8,98 500 80 400 25
17 ДТ 12,6 3,70 292,5 12,43 1,37 515 28,9 25,68 31,13 11,8 1030 90 460 46
18 В10 12,5 3,72 297,6 12,47 1,37 530 28,9 25,83 31,09 11,7 960 80 450 51
19 В25 12,4 3,75 301,8 12,40 1,38 525 29,0 26,04 31,03 11,6 920 90 420 49
20 В50 12,4 3,90 313,9 12,50 1,35 530 28,8 27,08 31,73 11,7 850 80 370 41
п = 1800 мин-1
21 ДТ 14,2 4,23 298,1 12,67 1,33 555 28,4 26,11 31,65 13,5 - - - 35
22 В10 14,0 4,24 301,9 12,65 1,35 560 28,4 26,17 31,51 13,3 - - - 36
23 В25 13,8 4,26 308,2 12,67 1,36 549 28,4 26,30 31,33 13,1 - - - 40
24 В50 14,0 4,41 315,7 12,56 1,34 555 28,7 27,22 31,89 13,2 - - - 34
п = 2000 мин-1
25 ДТ 15,5 4,64 299,1 12,71 1,35 572 28,3 25,78 31,25 14,0 - - - 42
26 В10 15,2 4,61 302,9 12,69 1,38 570 28,4 25,61 30,83 14,0 - - - 42
27 В25 15,6 4,80 307,9 12,65 1,35 581 28,4 26,67 31,77 14,8 - - - 39
28 В50 15,7 4,98 318,0 12,66 1,33 585 28,4 27,67 32,42 15,6 - - - 39
п = 2200 мин-1
29 ДТ 1,62 1,77 1094,1 46,50 3,96 180 7,7 8,94 10,84 5,65 390 50 350 8
30 В10 1,51 1,82 1201,5 50,34 3,94 180 7,2 9,19 11,06 5,73 410 60 320 2
31 В25 1,49 1,86 1246,2 51,22 3,90 180 7,0 9,39 11,19 5,74 340 60 33 6
32 В50 1,50 1,87 1338,5 53,27 3,98 175 6,8 9,44 11,06 5,60 420 60 250 8
33 ДТ 3,82 2,12, 554,5 23,57 3,31 215 15,3 10,71 12,98 6,76 220 80 490 10
34 В10 3,75 2,20 586,7 24,58 3,23 220 14,6 11,11 13,37 6,93 240 80 470 5
35 В25 3,60 2,20 610,6 25,10 3,29 210 14,3 11,11 13,24 6,79 200 80 440 9
36 В50 3,60 2,22 616,2 24,53 3,33 212 14,7 11,21 13,13 6,64 270 80 390 11
37 ДТ 7,57 2,78 367,1 15,60 2,52 290 23,1 14,04 17,02 8,87 330 80 550 23
38 В10 7,50 2,81 374,7 15,70 2,52 290 22,9 14,19 17,08 8,85 310 80 530 15
39 В25 7,35 2,85 387,6 15,93 2,52 290 22,6 14,39 17,14 8,80 280 80 470 20
40 В50 7,28 2,94 403,9 16,08 2,50 285 22,4 14,85 17,40 8,80 260 80 430 20
41 ДТ 11,4 3,57 313,2 13,31 1,95 385 27,0 18,03 21,85 11,4 480 80 600 36
42 В10 11,3 3,61 320,8 13,44 1,96 380 26,8 18,23 21,95 11,4 500 80 550 23
43 В25 11,0 3,65 330,9 13,60 1,97 375 26,5 18,43 21,96 11,3 450 90 520 31
44 В50 10,9 3,70 340,0 13,53 1,98 375 26,6 18,69 21,90 11,1 350 90 470 30
45 ДТ 15,4 4,65 301,1 12,80 1,49 530 28,1 23,49 28,47 14,8 660 100 580 45
46 В10 15,2 4,63 304,2 12,75 1,52 510 28,2 23,38 28,15 14,6 700 100 550 34
47 В25 14,7 4,59 312,1 12,83 1,56 500 28,1 23,18 27,62 14,2 630 110 520 33
48 В50 14,6 4,68 321,5 12,80 1,56 490 28,1 23,64 27,70 14,0 480 100 460 35
По данным [7] для ряда двигателей IDI при применении биодизеля снижение выбросов вредных веществ составляет: СО - 12%, СН - 35%, сажа -50% при повышении выбросов NOX на 10%. Фирма «Фольксваген» провела исследования четырёхцилиндрового вихрекамерного безнаддув-ного дизеля размерностью S/D = 8,64/7,65 и мощностью 40 кВт при его работе на дизельном топливе и биодизеле (метиловых эфирах рапсового масла). При работе двигателя на стенде по тесту ЕСЕ и переводе с дизельного топлива на биодизель выбросы СО снижаются с 4,5 до 3,57 г/тест, углеводородов - с 0,82 до 0,37 г/тест, снижаются дымность отработавших газов (на 1-2 ед. по шкале «Бош»), а оксиды азота, наоборот, возрастают с 2,56 до 3,01 г/тест.
Замена части дизельного топлива биотопливом из возобновляемых источников позволяет снизить опасность парникового эффекта, так как СО2, содержащееся в отработавших газах, поглощается растущими маслосодержащими растениями.
Рассмотрим экологические показатели двигателя 3ДТ при его работе на исследуемых видах топлив. При работе двигателя на режимах нагрузочных характеристик (см. табл. 3, опыты 1 - 20, 29 - 48) при n = 1600 мин-1 выбросы СО увеличиваются при переходе от ДТ к В50, кроме режима №ном; при n = 2200 мин-1 видимое снижение выбросов СО при переходе от ДТ к В50 происходит в диапазоне мощности двигателя (0,5 - 1,0) №ном. Уменьшение концентрации оксида углерода в смесевых бинарных топливах обусловлено наличием кислорода в молекулах биодизельного топлива. Характер протекания кривой СО для ДТ и В10 - В50 идентичен.
Выбросы оксидов азота NOX на каждом из режимов нагрузочных характеристик уменьшаются при переходе от ДТ к смеси В50 (см. табл. 3, опыты 1 - 20, 29 - 48), при этом эмиссия NOX достигает максимального значения на режимах 75 % №Ном.
Дымность отработавших газов на режимах нагрузочных характеристик возрастает по мере увеличения мощности (уменьшается а). Закономерности изменения выбросов твёрдых сажистых частиц при переходе от ДТ к В50 не просматриваются (см. табл. 3, опыты 1 - 20, 29 - 36). На режимах нагрузочной характеристики при n = 2200 мин-1 (см. табл. 3, опыты 37 - 48) дымность отработавших газов уменьшается при переходе от ДТ к В50, что обусловлено, как отмечалось выше, наличием в составе биодизеля 11,1 % кислорода.
Выводы
1. Отличия в физико-химических показателях дизельного и биодизельного топлив влияют на работу двигателя ЗДТ.
2. Замена стандартного дизельного топлива на бинарные топливные смеси (В10, В25 и В50)
приводит к ухудшению топливной экономичности двигателя при практически неизменных значениях эффективного КПД.
3. Изменение положения упора рейки топливного насоса позволяет восстановить номинальную мощность двигателя при его работе на бинарных топливных смесях.
4. Для объяснения отличий экологических характеристик двигателя ЗДТ при его работе на бинарных топливных смесях от общепризнанных (уменьшение выбросов СО, CnHm, сажи при некотором росте NOx), необходимо проведение дополнительных испытаний.
5. Для оценки надежности работы двигателя на бинарных топливных смесях и чистом биодизеле необходимо проведение длительных стендовых испытаний.
Литература
1. Смайлис В., Сенчила В., Берейшене К. Мотор-
ные испытания РМЭ на высокооборотном дизеле воздушного охлаждения // Двигате-лестроение. - 2005. - №4. - С. 45-49.
2. Семенов В.Г. Анализ показателей работы дизе-
лей на нефтяных и альтернативных топливах растительного происхождения // Вісник Національного технічного університету «ХПІ» / Зб. наук. пр. - Харків: НТУ «ХПІ».
- 2002. - №3. - С. 177-197.
3. Labeckas G., Slavinskas S. The effect of rapeseed
oil methyl ester on direct injection Diesel engine performance and exhaust emission // Energy Conversion and Management, 2005. -Р. 1-14.
4. Семенов В.Г. Зінченко О.А. Визначення хіміч-
ного складу альтернативних палив рослинного походження методом газорідинної хроматографії / Зб. наук. пр. - ХарДАЗТ. -2003. - Вип. 52. - С. 66-74.
5. Семенов В.Г. Определение физико-химических
показателей альтернативных топлив растительного происхождения для дизелей сельскохозяйственных машин / Зб. наук. пр. Національного аграрного університету «Механізація сільськогосподарського виробництва». - К.: НАУ. - 2003. - Том XIV. -С. 331-339.
6. Семенов В.Г., Семенова Д.У., Слипушенко В.П.
Расчет высшей теплоты сгорания биотоплив / Химия и технология топлив и масел. - М.: ГУП изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина. - 2006. - №2. - С. 46-49.
7. Льотко В., Луканин В.Н., Хачиян А.С. Приме-
нение альтернативных топлив в двигателях внутреннего сгорания. - М.: МАДИ (ТУ), 2000. - 311 с.
Рецензент: Ф.И. Абрамчук, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 21 марта 2007 г.
