CC BY
51
ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
УДК 621.436.001
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИЗЕЛЯ ЯМЗ-2Э8 ПРИ ЕГО РАБОТЕ НА СМЕСЕВЫХ ТОПЛИВАХ
В.В. Горбунов, Н.Н. Патрахальцев', А.М. Абелян2
1) Кафедра комбинированных ДВС Российский университет дружбы народов Россия, 117198, Моста, ул. Миклухо-Маклая, 6
2) Кафедра двигателей военной автомобильной техники Военный автомобильный институт Россия, 390014, Рязань
Представлены результаты экспериментальных исследований дизеля ЯМЭ-238 при его работе на смесях шзельного топлива с добавками бензина, керосина, этанола и других компонентов. Использование смесевых :оплив улучшает экономичность дизеля и снижает его дымность
Рост количества автотранспортных средств, различной дорожно-строительной техники, :редств инженерного обеспечения, боевых машин и других силовых установок с 1вигателями внутреннего сгорания (ДВС), используемых в народном хозяйстве страны и тодразделениях Министерства обороны, требует значительного потребления нефтяного моторного топлива.
В связи с тем, что в настоящее время в стране наблюдается снижение добычи нефти, :уществует тенденция удорожания нефтяного моторного топлива и его хроническая гехватка для силовых установок с ДВС (в том числе и для силовых агрегатов армейских шпин, морских судов, авиации и т.д.). Следовательно, остро стоит вопрос замены дефицитных нефтяных моторных топлив альтернативными, в частности - смесевыми, федставляющими собой смесь, например, дизельного топлива (ДТ) с различными юбавками.
Для армейских машин известно применение многотопливных двигателей, под которыми юдразумеваются двигатели, способные работать на различных жидких топливах нефтяного фоисхождения (от бензина до тяжелых топлив), сохраняя при этом мощностные и 'кономические показатели [1].
Вопрос многотопливности может решаться в обычных двигателях (выпускаемых ;ерийно) внесением различных конструктивных изменений в саму конструкцию двигателя например, использование интенсивного и направленного вихревого движения заряда, пециальной формы камеры сгорания, расслоенного смесеобразования и т.д.) или его опливную аппаратуру (двухфазный впрыск, двухтопливные системы, ступенчатая подача оплива, использование специальных устройств для корректирования цикловой подачи оплива и др.).
Для дизелей, находящихся в эксплуатации, наиболее простым и перспективным является одача различных альтернативных добавок через специальный обратный клапан (клапан егулирования начального давления, клапан РНД), устанавливаемый на штуцер топливного асоса высокого давления (ТНВД) или форсунку.
Принцип работы и конструктивное исполнение модернизированной топливной системы изеля, снабженной клапанами РНД, рассмотрены в работах [2,3,4].
В данной работе экспериментальные исследования проводились на дизеле ЯМЭ-238, оторый широко используется в качестве силового агрегата на различных армейских [ашинах.
Так как расход добавки к ДТ, поступающей через клапан РНД, зависит от его онструктивных параметров (массы, хода клапана и жесткости его пружины), то вначале на опливном стенде была снята серия расходных характеристик. Полученные результаты озволили сделать вывод, что рациональными параметрами клапана РНД, позволяющими
обеспечить максимальное замещение ДТ той или иной добавкой, являются следующие масса клапана - 3,62 г., его ход - 0,6 мм и жесткость пружины клапана - 0,2 Н/мм. (Данны параметры определены применительно к ТНВД дизеля ЯМЗ-238). На рис.1 представлені характеристики клапана РНД с выбранными параметрами.
400 600 800 мин' 1000
КВ
Нагрузка : —100% ; - • 79% ; ■ • а- • 56% ; -т~ 38%
Рис.1. Зависимость расхода альтернативного топлива (добавки) через клапан РНД от частоты вращения коленчатого вала дизеля
После установки клапанов на форсунки штатной топливной системы были снять частичные скоростные характеристики дизеля при его работе на различных смесевы; топливах.
Смесь дизельного топлива с водой (водно-топливная эмульсия - ВТЭ)
При работе двигателя на такой смеси происходит увеличение крутящего момента (рис.2] во всем диапазоне частоты вращения коленчатого вала. Причина этого заключается в том что при работе дизеля на ВТЭ значительно улучшается процесс смесеобразования за счет явления “микровзрывов”, так как капли эмульгированного топлива, образовавшиеся после впрыскивания его через форсунку, состоят из частиц ДТ, внутри которых содержится вода При нагреве этих частиц, содержащаяся в них вода переходит в пар, и эмульгированные частицы топлива взрываются, подвергая окружающие их частицы топлива дополнительному дроблению, в результате чего происходит более качественное перемешивание топлива с воздухом. Время существования эмульгированных капелек топлива сокращается по сравнению с существованием капелек чистого ДТ. При сгорании ВТЭ происходит интенсификация первой стадии сгорания/воспламенения вследствие увеличения периода задержки воспламенения и уменьшения потери теплоты из-за снижения температуры сгорания.
При этом наблюдается снижение часового расхода ДТ при установке клапана РНД, по сравнению с расходом при работе дизеля со штатной топливной системой, вследствие особенностей работы самой системы топливоподачи с клапаном РНД.
Смесь дизельного топлива и керосина
При работе дизеля на малых частотах вращения, керосин (у которого по сравнению с ДТ характеристика воспламенения лучше, что требует меньшего, по сравнению с ДТ, периода задержки воспламенения) испаряется быстрее, чем ДТ, но период предпламенных реакций увеличивается, что приводит к неполноте сгорания, увеличению выброса сажи и, как результат - снижению крутящего момента.
При работе на средних и высоких частотах вращения вследствие уменьшения продолжительности цикла керосин не успевает полностью испариться, в результате чего происходит более качественное сгорание смеси ДТ с керосином, что приводит к увеличению крутящего момента.
800 1200 1600 «им'1 ' 2000
п _________________
штатная СТ ;------- СТ с подачей АТ ;.......параметры АТ
Рис. 2. Скоростная характеристика дизеля при его работе на смеси ДТ с добавкой воды:
п__________►
штатная СТ ; -----С Г с подачей АТ
параметры АI ; --------суммарные параметры
Рис. 3. Скоростная характеристика дизеля при его работе на смеси
ДТ с керосином:
Горбунов В.В., Патрахальцев Н.Н. и др. Экспериментальные исследования .
■ штатная СТ; -' параметры АТ;
- - СТ с подачей АТ •
- суммарные параметры
800
1200
п
1600
2000
штатная СТ ; параметры АТ
-----СТ с подачей АТ".
-----суммарные параметры
Рис. 4. Скоростная характеристика дизеля при его работе на смеси ДТ Рис. 5. Скоростная характеристика дизеля при его работе на с добавкой бензина А-76: смеси ДТ с добавкой этанола:
РУДН, сер. Инженерные исследования, 2003, №1
Удельный эффективный расход ДТ по сравнению со штатным расходом при работе дизеля на малых частотах вращения выше, что обусловлено неполнотой сгорания, а на средних и высоких частотах - меньше. Суммарный удельный эффективный расход выше во всем диапазоне частоты вращения коленчатого вала дизеля (рис.З).
Смесь дизельного топлива с бензином А-76
Уменьшение крутящего момента при работе дизеля на этой смеси (рис.4) объясняется уменьшением дальнобойности топливного факела за счет повышенного испарения, что влечет за собой повышение в камере сгорания доли объемов с переобогащенной смесью. При этом имеет место неполнота сгорания и наблюдается повышенная дымность отработавших газов (ОГ) (при испытаниях визуально наблюдался выброс сажи (черный дым) на выхлопе.
п
-----штатная СТ ; -----СТ с подачей АТ-,
параметры АТ ; -----суммарные параметры .
Рис. 6. Скоростная характеристика дизеля при его работе на смеси ДТ с добавкой подсолнечного масла Смесь дизельного топлива и этанола
При работе на этих смесях (рис.5) происходит увеличение крутящего момента во всем диапазоне частоты вращения коленчатого вала. Это объясняется тем, что теплота сгорания этанола примерно в 1,5 раза меньше, чем у ДТ, поэтому для сохранения исходных энергетических свойств дизеля необходимо увеличить подачу альтернативного топлива. Вместе с тем для сгорания ДТ, обладающего большой теплотой сгорания по сравнению со спиртом, необходимо в 1,6 раза больше воздуха, что приводит к некоторому увеличению
теплоты сгорания стехиометрической смеси ДТ и спирта. Кроме того, этанол имеет меньшие плотность, вязкость и очень высокую теплоту испарения по сравнению с ДТ.
Удельный эффективный расход ДТ при работе с системой РНД уменьшился.
Смесь дизельного топлива и подсолнечного масла
Вследствие того, что смесь подсолнечного масла и ДТ пор сравнению с чистым ДТ более обогащенная, величина крутящего момента (рис.6) при работе дизеля на малых и средних частотах вращения возрастает по отношению к штатной топливной аппаратуре. При работе на высоких частотах вращения момент уменьшается вследствие снижения продолжительности цикла и худшей испаряемости подсолнечного масла.
Удельный эффективный расход ДТ при работе двигателя с системой РНД меньше, чем со штатной топливной системой во всем диапазоне частоты вращения. Суммарный эффективный расход несколько выше на малых и высоких частотах вращения, а на средних ниже, чем при использовании штатной топливной системы.
При сгорании смеси ДТ с подсолнечным маслом визуально наблюдалось снижение дымности ОГ вследствие того, что подсолнечное масло - кислородосодержащий продукт.
На основании полученных экспериментальных данных можно сделать следующие выводы:
- экспериментальные исследования еще раз подтвердили, что штатная топливная система, снабженная клапанами РНД, является работоспособной, т.е. она обеспечивает подачу различных добавок (от мало- до высоковязких) через клапан, и ее использование позволяет замещать дефицитное нефтяное моторное топливо;
- подача альтернативного топлива через клапан РНД улучшает работу штатной топливной аппаратуры, т.е. при отсутствии альтернативного топлива через клапан РНД можно подавать ДТ;
- при работе дизеля на смесевом топливе мощностные характеристики силовой установки могут частично улучшаться или оставаться без изменения, что очень важно для армейских машин, которые эксплуатируются в экстремальных условиях (работа в различных дорожных и климатических условиях, при ликвидации последствий стихийных бедствий, во время армейских учений, боевых действий и т.д.).
В заключение следует отметить, что модернизация штатной топливной системы силовой установки, находящейся в эксплуатации, не требует значительных затрат и может быть осуществлена силами ремонтных подразделений воинской части или силами передвижных авторемонтных средств (ПАРМ-1, ПАРМ-3, МТО).
ЛИТЕРАТУРА
1. Белов П.М., Бурячко В.Р. и ^Двигатели армейских машин. Ч. 1. -М.: Воениздат, 1971.
2. Патрахалъцев Н.Н. Системы топливоподачи с регулированием начального давления//Двигателестроение. -1986. -№10. -С.49-50.
3. Патрахалъцев Н.Н., Санчес Л.В. Пути развития топливных систем для подачи в цилиндр дизеля нетрадиционных топлив//Двигателестроение. -1988. -№3. -С.11-13.
4. Шкаликова В.П., Патрахалъцев Н.Н. Применение нетрадиционных топлив в дизелях. -М.: Изд-во РУДН, 1993. -64 с.
UDC 621.436.001
EXPERIMENTAL RESEARCH OF YAMZ-238 (ЯМЗ-238) DIESEL OPERATION WITH ALTERNATIVE FUELS
Victor V. Gorbunov, Nicolay N. Patrahaltsev1, Artur M. Abelyan2
1) Department of Internal Combustion Engines
Russian Peoples’ Friendship University Miklukho-Maklaya St., 6, 117198, Moscow, Russia
2) Department of Military Automobile Institute
390014, Ryazan-14, Russia
It is given experimental research results of YAMZ-238 diesel operating with alternative fuels. Use of blended fuels improves economical and ecological parameters of diesels.
