Экспериментальное определение цетановых чисел смесевых и эмульгированных дизельных топлив Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

<Ш

'"oouw.«^

Экспериментальное определение цетановых чисел смесевых и эмульгированных дизельных топлив

Л.В.А. Санчес,

профессор университета г. Кито (Эквадор), к.т.н., Н.Н. Патрахальцев,

профессор Российского университета дружбы народов (РУДН), д.т.н., Б.А. Корнев,

магистр техники и технологий, аспирант РУДН, И.С. Мельник,

магистр техники и технологий, аспирант РУДН

Тенденция к применению альтернативных топлив, добавок и присадок к нефтяным дизельным топливам, а также смесевых, в том числе эмульгированных топлив [1] требует анализа их физико-химических, теплофизичес-ких и моторных свойств, включая воспламеняемость и в первую очередь - определение их цетановых чисел. Для достижения поставленной цели модернизирована стандартная установка ИДТ-69 и выполнены предварительные исследования.

Ключевые слова: альтернативное топливо, смесевое топливо, эмульгированное топливо, дизельное топливо, цетановое число, анализ физико-химических свойств топлив.

Experimental determination of cetan numbers of mixtured and emulcified diesel fuels

L.V.A. Sanches, N.N. Patrakhaltsev, B.A. Kornev, I.S. Melnik

There is tendency of usage of alternative fuels and additives to naphtha -diesel fuels, mixed and emulsified fuels in diesel engines. In this connection it is necessary to get analyses its physical - chemical, thermo-physical and motor's properties, first of all - inflammability and cetane numbers. With this purpose was improved the installation for determining of cetane numbers of mixed fuels.

Keywords: alternative fuel, mixed and emulsified fuels, diesel fuel, cetane number, analyses of physical - chemical properties of fuels.

Одним из основных квалификационных показателей дизельных топлив (ДТ) является их самовоспламеняемость, которую характеризует цетановое число (ЦЧ). Анализ цетановых чисел смесевых и эмульгированных топлив целесообразен в связи с тем, что эти показатели определяют возможности

пуска двигателя, особенно в холодном состоянии, устойчивость и работу на малых нагрузках и холостых ходах, жесткость работы на основных режимах, а также шумность и в конечном итоге надежность и долговечность двигателя, его экономические, энергетические и экологические характеристики.

Цетановое число обычно определяется на стандартной установке типа ИДТ-69 с вихрекамерным одноцилиндровым дизелем (D/S = 82,6/114, Vh = 0,61 л, со степенью сжатия (б), изменяемой от 7 до 23, а также с изменяемым углом опережения впрыскивания (<роп), при частоте вращения n = 900 мин-1) [2].

Для расчета цетановых чисел смесевых топлив (на основе дизельного) используют простые соотношения аддитивности типа

цчад = £цч,£„

где g. - массовая доля /'-го компонента.

Использование подобных зависимостей дает неверные результаты [3], что объясняется следующим. Период задержки воспламенения (ПЗВ) обусловлен двумя стадиями подготовки горючей смеси к самовоспламенению: физической и химической. Международным стандартом в качестве первичных эталонов при экспериментальном определении ЦЧ выбраны цетан (н-гексадекан) с ЦЧ=100 и а-метилнафталин с ЦЧ=0. Они отличаются по воспламеняемости (разные продолжительности химических стадий), но имеют близкие физические свойства, в частности, теплоту парообразования и температуру кипения (одинаковые продолжительности физических стадий). Поэтому различие ПЗВ (т) при изменении содержания цетана в смеси с а-метилнафтали-ном будет определяться различием продолжительности их химических стадий т <<т при равенстве про-

m х ц х а-м 1 1 1

должительности физических стадий тф ц = тф а-м. Компоненты, например, спиртодизельного топлива отличаются теплотой парообразования и температурой разгонки. Теплота парообразования этанола 919 кДж/кг существенно больше теплоты парообразования ДТ, равной 210 кДж/кг. Отсюда т , > т . , а так как х > т ,

" ф с ф дт' х с х дт'

то соответственно т. с > х/ . Действительная зависимость ПЗВ смесевого спиртодизельного топлива (т. сдт) будет лежать выше условной зависимости

I ,.ifffflTmTTTr„- Д|Дн4Д1<

«Транспорт на альтернативном топливе» № 2 (20) март 2011 г.

т/, соответствующей условию тф с = -сф дт , поскольку т > т и -г > т. . Тогда

' х с х дт ф с ф дт т

ЦЧ будет меньше ЦЧ на ДЦЧ.

^ сдт ^ сдт ад ^

Иначе

ЦЧсдт = ЦЧд + ЦЧ2д2 - АЦЧ,

где д1 и ЦЧ, - доля и ЦЧ низкоцетано-вого компонента; д2 и ЦЧ2 - высокоце-танового компонента.

Причем д,=1 - д2 [3].

Таким образом, определение ЦЧ смесевых эмульгированных топлив требует их экспериментального исследования. Причем важно знание характеристик изменения ЦЧ в функции от содержания АТ, величины добавки или присадки к ДТ.

Для экспериментального исследования смесевых топлив необходимо подготовить соответствующие смеси, эмульсии. Известна сложность создания ряда стабильных смесей или эмульсий: спиртотопливных, во-дотопливных и т.д. ввиду несмешиваемости компонентов. Сжиженный пропан-бутан топливный (СПБТ) в жидкой фазе хорошо смешивается с ДТ, но смешивание и хранение таких смесей представляют проблему ввиду высокой испаряемости СПБТ. В связи с этим подготовка и проведение эксперимента достаточно сложны и продолжительны. Получив экспериментальные характеристики, можно искать аппроксимирующие их зависимости, уравнения зависимости ЦЧ от состава смесевого топлива и т.д., отличные от уравнений простой аддитивности.

Для облегчения и ускорения исследований смесевых и эмульгированных топлив стандартная установка [6] была модернизирована размещением дополнительных емкостей с объемными измерителями расхода альтернативных топлив, добавок, присадок и соответствующими кранами переключения (рис. 1).

Определение цетанового числа осуществляется по методу совпадения вспышек, сущность которого заключается в сравнении испытуемого образца топлива с эталонным, ЦЧ которого известно и составлено из

Рис. 1. Схема переоборудования экспериментальной установки на базе ИДТ- 69 для определения цетановых чисел топлив: 1 - дизель; 2 - вихревая камера сгорания изменяемого объема; 3 - форсунка; 4 - ЛВД; 5 -ТНВД; 6 - нагнетательный клапан ТНВД с разгрузочным пояском; 7 - линия низкого давления (ЛНД); 8 - дополнительный канал; 9 - обратный клапан - клапан РНД, иначе называемый также клапаном импульсной подачи добавки; 10 - емкость и измеритель основного дизельного топлива; 11 -емкость с а-метилнафталином; 12, 13 - трубопроводы; 14, 15, 16, 19, 30, 31, 32- краны; 17, 18, 26 - дроссели регулирования расхода топлив и добавок; 20, 21 - выход и вход крана; 22, 23, 24, 25 - соединительные трубопроводы; 27, 28 - емкости с добавками, присадками; 29 - емкость с цетаном; А и Д у крана 14 - позиции переключения соответственно на а-метилнафталин и дизельное топливо; Р и И у крана 19 - соответственно работа на дизельном топливе и исследование (создание эталонного образца); О и З у кранов - открыто, закрыто

соответствующих частей цетана и а-метилнафталина. При работе дизеля на стандартном режиме п = 900 мин-1, Фоп = 13° до верхней мертвой точки (ВМТ) и расходе топлива 13 мл/мин изменением степени сжатия (е) добиваются такого положения, когда воспламенение исследуемого и эталонного топлив происходит в ВМТ, то есть период задержки воспламенения (ПЗВ) равен 13°. Для уточнения определения ЦЧ в качестве эталонных принимают две смеси, одна из которых воспламеняется чуть лучше, а другая - чуть хуже, чем исследуемое топливо.

При этом ЦЧ пересчитывают по соотношению

ЦЧ = Ц + (Ц - Ц) Ц - еУЦ - 62), где Ц1 - содержание цетана в смеси с а-метилнафталином, дающей совпадение вспышек при большей степени сжатия е1; Ц2 - содержание цетана в смеси с а-метилнафталином, дающей совпадение вспышек при меньшей степени сжатия £2; г - степень сжатия при работе на испытуемом топливе.

Установка работает следующим образом. После подачи топлива топливным насосом высокого давления (ТНВД) 5, когда происходит отсечка подачи, нагнетательный клапан 6 осуществляет разгрузку линии высокого давления (ЛВД) 4 с помощью своего отсасывающего (разгрузочного) пояска (не показан). В ЛВД 4 формируется волна разрежения, которая, проходя многократно по ней, соответственно многократно открывает обратный клапан 9 регулирования начального давления (РНД). В результате по дополнительному каналу 8 в ЛВД 4 поступает топливо или добавка в зависимости от положений кранов. Добавка смешивается с основным топливом, подаваемым насосом 5, благодаря подводу его по линии 7, и впрыскивается форсункой 3 в вихревую камеру 2 дизеля 7. В режимах работы дизеля 7 возможны следующие особенности: подача основного топлива в чистом виде, подача основного топлива и подмешивание к нему альтернативных топлив, присадок, различных,

в том числе негорючих, добавок и подача эталонных смесей цетана и а-метилнафталина.

При работе на чистом ДТ последнее из емкости 10 по трубопроводу 12 поступает к крану 14, находящемуся в открытом состоянии Д, затем в линию 7 и в насос 5, который нагнетает топливо в ЛВД 4 и т.д. При отсечке подачи, когда нагнетательный клапан 6 при своей посадке в седло формирует в ЛВД 4 волну разрежения, клапан 9 РНД открывается за счет перепада давления на нем, и ДТ по трубопроводу 12 через открытый кран 15, дроссель 17, отрегулированный на заданный расход, по трубопроводу 23 поступает на вход 21 крана 19 и через его выход 20 поступает к клапану 9, а при его открытии - в ЛВД 4, создавая в ней необходимое начальное условие - начальное давление.

Расход ДТ устанавливается по мерному стеклу на емкости 10 и регулируется рейкой насоса 5 и дросселем 17. В этом варианте работы краны 16,30,31, 32 закрыты. При необходимости введения в дизельное топливо присадки или добавки открывают соответствующий кран (30 или 31), и альтернативное топливо или добавка (присадка) соответственно из емкости 27 или 28 поступают через регулируемый дроссель 26 по трубопроводу 25 к клапану 9, а при его открытии - в дополнительный канал 8, а затем в ЛВД 4, где присадка или добавка смешиваются с ДТ, поступившим из емкости 10.

Для увеличения расхода присадки или добавки увеличивают открытие дросселя 26 и уменьшают открытие дросселя 17, снижая подачу ДТ. Установив необходимое соотношение топлива и добавки, которые измеряются мерными стеклами на емкостях 10 и 27 или 28, устанавливают угол опережения, равный 13°, и меняют степень сжатия для получения воспламенения в верхней мертвой точке. После этого закрывают краны 15 и 30 или 31, открывают краны 16 и 32, поворачивают кран 14 в положение А, а кран 19 в положение, когда трубоп-

Рис. 2. Влияние различных добавок к дизельному топливу на цетановые числа получаемых смесевых или эмульгированных топлив: жирные линии - эксперимент, тонкие - расчет по закону аддитивности (ад)

ровод 22 совмещается со входом 21, а выход 20 с трубопроводом 24 и дополнительным каналом 8 через клапан 9. С помощью дросселей 26 и 18 меняют расходы соответственно цетана и а-метилнафталина, добиваясь совпадения момента вспышки с ВМТ при работе дизеля на данном эталонном топливе. Процентное содержание цетана в смеси цетана и а-метилнафталина определяет искомое ЦЧ.

На модернизированной таким образом установке были определены цетановые числа ряда смесевых и эмульгированных топлив, в которые вводились следующие добавки: легко смешиваемые с ДТ синтетические парафиновые углеводороды (СПУ) и бензин А-76, трудно смешиваемые с ДТ (необходимость эмульгирования) этанол и аммиак (ИН3). Кроме того, исследовано влияние на ЦЧ основного топлива эмульгирование его водой и водным раствором хлорида бария (Н2О + ВаС12), как антидымной присадки. Альтернативные топлива и добавки имели следующие показатели: СПУ - ЦЧ = 60,5 и плотность

^ спу '

Рспу = 0,691 г/см3; бензин А-76 - ЦЧб = 22, рб = 0,740 г/см3; этанол - ЦЧэ = 8,0, рэ = 0,789 г/см3 и аммиак - ра = 0,682 г/см3.

Следует отметить, что расчетное определение ЦЧ (по соотношению

аддитивности) проводится в зависимости от массовых долей компонентов в смесевом топливе. На исследовательской стандартной установке ЦЧ определяли в зависимости от объемных долей компонентов топлива. Для получения расчетных характеристик аддитивности были проведены пересчеты в объемные доли.

Анализ результатов показал следующее. Высокоцетановое топливо в виде смеси легких синтетических парафиновых углеводородов (СПУ состава С Н , где п = 5...13), легко

п 2п " "

образующее стабильные смеси с ДТ, практически пропорционально, то есть близко к закону аддитивности, повышает ЦЧ смесевого топлива. В данном случае физическая и химическая составляющие периода задержки воспламенения действуют однона-правленно.

Добавка низкоцетанового бензина с очевидностью снижает ЦЧ такого смесевого топлива, причем, несмотря на сравнительную близость физических свойств бензина и ДТ, характеристика изменения ЦЧ отклоняется от

^ см

закона аддитивности, хотя и не столь существенно, как в случае спиртоди-зельной эмульсии. Интересно отметить, что добавка воды или водного раствора антидымной присадки в

количествах 20...30 % даже повышает ЦЧ, которое с ростом добавки снижается. Повышение ЦЧ очевидно связано с улучшением качества распыли-вания топлива и смесеобразования, что уменьшает физическую составляющую периода задержки воспламенения. Хотя возможно и влияние на химическую составляющую. Заметно существенное отклонение цетановых чисел, полученных при экспериментах, от расчетных по соотношению аддитивности.

Таким образом, предложенное оснащение установки клапаном импульсной подачи добавки(клапаном РНД) и дополнительными емкостями для компонентов смесевого топлива, добавок и присадок позволяет существенно ускорить исследования цетановых чисел различных смесе-вых и эмульгированных топлив. В то же время применение клапана РНД сопровождается повышением начального давления топлива перед

впрыскиванием, что изменяет качество распыливания и топливоподачу. Следовательно, требуются дальней-

Литература

шие исследования для определения точности и достоверности получаемых результатов.

1. Патрахальцев Н.Н. Повышение экономических и экологических качеств двигателей внутреннего сгорания на основе применения альтернативных топлив: Учебное пособие / Н. Н. Патрахальцев. - М.: РУДН, 2008.

- 267 с.: ил.

2. Гуреев А.А. Топливо для дизелей. Свойство и применение / А.А. Гуреев, В.С. Азев, Г.М. Камфер. - М.: Химия, 1993. - 336 с.

3. Камфер Г. М. Расчетная оценка цетановых чисел спиртотопливных смесей / Г.М. Камфер, А.К. Болотов, С.А. Плотников // Сб. науч. трудов МАДИ «Улучшение показателей работы автомобильных и тракторных двигателей». - 1990.

- С. 59-64.

4. Санчес Л.В.А. Расширение ресурса дизельных топлив и совершенствование рабочего процесса дизеля применением альтернативных топлив, присадок и добавок к топливу: автореф. дисс. канд. техн. наук. 05.04.02 / Леонардо Владимир Альвеар Санчес. - М, 1988. - 16 с.

5. Патрахальцев Н.Н. Пути развития топливных систем для подачи в цилиндр нетрадиционных топлив / Н. Н. Патрахальцев, Л.В. Альвеар Санчес // Дви-гателестроение. - 1988. - № 3. - С. 11-13.

6. Обельницкий А. М. Топливо и смазочные материалы / А.М. Обельниц-кий. - М.: Высшая школа, 1982. - 212 с.

VITKOVICE

VÎT КО VICE CYLINDERS a.s.

Мнропой пидор проюоодстпл чссшовны* стпльны* баплоноп пысокого давления для различного ГТОСТЯИЩИК широкого рпдл йлппонап дпп сотого кптурлпьного rrvin (CNG ) и ллграпсчных СТЛНШУй.

ащ

CNC баллонм

производство цельнотянутых баллоне□ на заготовки (брусок) баллоны CNG облегченные с внешний диаметром до 406 мм соотношение емкость/дес Тлитр/0.9 кг соответствие стандартам ISO 11429: ЕСЕ Я 110: NZS 5454: Со venin 3226; ГОСТ 9731-7Э; ГОСТ 51753-2001: Заводы-производители в Чехии, Польше. Аргентине

CNG гааоаалраяочные станции

для индивидуального пользовании для производственного пользования дли коллективного пользований

Применение баллонов

для стационарных и мобильных систем (PED, TPED or ADR) рабочее давление 200. 250, 300. 330 бар и выше емкость несколько тысяч литров

ты