CC BY
23Исследование мощностных и экономических показателей 43
дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на природном газе, метаноло-и этаноло-топливных эмульсиях
I
В.А. Лиханов, профессор, зав. кафедрой ФГБОУ ВО «Вятская ГСХА», д.т.н., О.П. Лопатин, доцент кафедры ФГБОУ ВО «Вятская ГСХА», к.т.н.
Представлены результаты экспериментальных исследований по улучшению эффективных показателей дизеля 4Ч 11,0/12,5 путем применения компримирован-ного природного газа с рециркуляцией отработавших газов, метаноло-топливной и этаноло-топливной эмульсий.
__Ключевые слова:
дизель, компримированный природный газ, рециркуляция отработавших газов, метаноло-топливная эмульсия, этаноло-топливная эмульсия,
эффективные показатели.
работе представлены результаты экспериментальных исследований, проведенных на базе научно-исследовательской лаборатории кафедры тепловых двигателей, автомобилей и тракторов Вятской государственной сельскохозяйственной академии, по улучшению эффективных показателей дизеля 4Ч 11,0/12,5 путем применения компримированного природного газа (КПГ) и рециркуляции отработавших газов (РОГ), метаноло-топливной (МТЭ) и этаноло-топливной (ЭТЭ) эмульсий. Исследования проводились с целью определения и оптимизации основных параметров работы дизеля на дизельном топливе (ДТ), КПГ с РОГ, МТЭ и ЭТЭ.
Система питания дизеля на КПГ позволяет замещать 80 % ДТ (20 % -запальная порция ДТ). В результате проведенных исследований стабильности и первичных испытаний на двигателе
в качестве оптимальных для дизеля 4Ч 11,0/12,5 были приняты эмульсии следующего состава [1, 2]:
• МТЭ: метанол - 25 %, моюще-диспергирующая присадка сукцинимид С-5А - 0,5 %, вода - 7 %, ДТ - 67,5 %;
• ЭТЭ: этанол - 25 %, моюще-диспергирующая присадка сукцинимид С-5А - 0,5 %, вода - 7 %, ДТ - 67,5 %.
Анализ графиков (рис. 1а), соответствующих газодизельному и газодизельному с РОГ процессам при п=2200 мин1 (номинальный скоростной режим), показывает, что при работе по газодизельному и газодизельному с РОГ процессам установочный УОВТ при частоте вращения 2200 мин-1 по условию наилучшей экономичности составляет 0впр=23°. Часовой расход топлива при газодизельном процессе и 0впр=23° составляет 11,4 кг/ч, а для газодизельного процесса с 10 %-ной РОГ 11,7 кг/ч, что больше на 2,8 %.
44
Удельный эффективный расход топлива при 0впр=23° составляет 205 г/кВт-ч, а при газодизельном процессе с 10 %-ной РОГ 211 г/кВт-ч, что выше на 2,8 %. При увеличении УОВТ до 0впр=26° на газодизельном процессе с РОГ происходит возрастание удельного эффективного расхода топлива, а мощность двигателя остается на том же уровне. При снижении 0впр до 20° происходит увеличение удельного расхода топлива, а также падение эффективной мощности двигателя [3, 4].
Анализируя графики (см. рис. 1а) работы дизеля 4Ч 11,0/12,5 на МТЭ при частоте вращения коленчатого вала п=2200 мин1 и постоянном значении часового расхода МТЭ СМТЭ=17,5 кг/ч, можно констатировать, что при 0впр=23° достигаются минимальные значения удельного эффективного расхода МТЭ (?емтэ=316 г/(кВт-ч)) и удельного эффективного расхода ДТ в составе МТЭ (?едТприв=213 г/(кВт-ч)). Здесь можно отметить, что меньшая теплота сгорания МТЭ
по сравнению с ДТ ведет к повышению часового и удельного расходов топлива. При уменьшении 0впр до 20° значение &МТЭ повышается до 319 г/(кВт-ч), или на 0,9 %, а удельный эффективный расход ДТ в составе МТЭ £^„=215 г/(кВт-ч). При увеличении же 0впр до 26° значение &МТЭ повышается до 328 г/(кВт-ч), или на 3,7 % по отношению к 0впр=23°, а удельный эффективный расход ДТ в составе МТЭ составляет £ДТприв=221 г/(кВт-ч). При дальнейшем увеличении 0впр до 29° значение &МТЭ повышается до 343 г/(кВт-ч), или на 7,9 % по отношению к 0впр=26°, а удельный эффективный расход ДТ в составе МТЭ равен £ДТприв= 232 г/(кВт-ч).
При работе дизеля 4Ч 11,0/12,5 на ЭТЭ с частотой вращения коленчатого вала п=2200 мин1, постоянным часовым расходом ЭТЭ СЭТЭ=16,3 кг/ч (см. рис. 1я) и 0впр=23° достигаются минимальные значения удельного эффективного расхода ЭТЭ (&ЭТЭ=297 г/(кВт-ч)) и удельного эффективного расхода ДТ в составе ЭТЭ (&ДТприв= 200 г/(кВт-ч)).
Ч.кВт
46 44 40
36
кВТ-ч ' 250 240 230 220 210 200
/V,
_ _ Ч —. —.
/
У
... Г7Г7 V-'
9. 6г
и ----
щ г— ■"Р.Ч
Г
г- А
-—
б,, кг/ч 13 12 11 10
17
20
23 26 29 0влр, градус
а б
Рис. 1. Влияние применения КПГ с РОГ, МТЭ и ЭТЭ на мощностные и экономические показатели дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения установочного УОВТ: а - п=2200 мин-1; б - п=1700 мин-1;
□-□ - дизельный процесс; О----О - газодизельный процесс;
Х---------X - газодизельный с РОГ 10 %; А-------А - газодизельный с РОГ 20 %;
О------О - ЭТЭ; О— —О - МТЭ
Здесь также можно отметить, что меньшая теплота сгорания ЭТЭ по сравнению с ДТ ведет к повышению часового и удельного расходов топлива. При уменьшении 0впр до 20° значение ^еЭТЭ повышается до 300 г/(кВт-ч), или на 1,0 %, а удельный эффективный расход ДТ в составе ЭТЭ достигает &дТприв=202 г/(кВт-ч). При увеличении же 0впр до 26° значение ^еЭТЭ повышается до 305 г/(кВт-ч), или на 2,6 % по отношению к 0впр=23°, а удельный эффективный расход ДТ в составе ЭТЭ равен &дТприв=206 г/(кВт-ч). При дальнейшем увеличении 0впр до 29° значение ge ЭТЭ повышается до 316 г/(кВт-ч), или на 6,0 % по отношению к 0впр=26°, а удельный эффективный расход ДТ в составе ЭТЭ равен geДТпpив=213 г/(кВт-ч).
Рассматривая графики регулировочных характеристик (рис. 16) дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения установочного УОВТ на частоте вращения 1700 мин-1 (режим максимального крутящего момента), следует отметить, что характер кривых аналогичен номинальному режиму, при этом изменяются лишь абсолютные значения величин.
Зависимость мощностных и экономических показателей работы дизеля 4Ч 11,0/12,5 на установочном УОВТ 23° (оптимальный для КПГ, КПГ с РОГ, МТЭ и ЭТЭ) от изменения частоты вращения коленчатого вала без регуляторной ветви представлена на рис. 2.
Рассматривая кривые, соответствующие работе двигателя на КПГ, можно отметить, что увеличение частоты вращения приводит к росту часового расхода топлива Ст, запальной порции ДТ СДТ, эффективной мощности Ые, часового расхода воздуха Ов и температуры ОГ Значение удельного эффективного расхода топлива gе минимально при частоте вращения 1700 мин-1 и составляет 198 г/(кВт-ч). При частоте вращения 1700 мин-1 значения эффективного КПД Пе и крутящего момента Мк максимальны и составляют соответственно 0,37 и
259 Н-м. Коэффициент избытка воздуха а с увеличением частоты вращения незначительно снижается [5, 6].
Анализируя графики работы дизеля на КПГ с РОГ видно, что при работе газодизеля с 10%-ной РОГ эффективная мощность и крутящий момент остаются практически на уровне чисто газодизельного процесса. При увеличении степени рециркуляции до 20 % происходит снижение эффективной мощности и крутящего момента. Таким образом применение 10%- и 20%-ной РОГ в диапазоне п с 1400 до 2400 мин1 приводит к увеличению gе до 1,5...2,3 и до 4,7...4,9 % соответственно. Значение эффективного КПД, максимум которого достигается при частоте, соответствующей
Рис. 2. Влияние применения КПГ с РОГ, МТЭ и ЭТЭ на мощностные и экономические показатели работы дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала при 0впр=23°:
□-□ - дизельный процесс;
О----О - газодизельный процесс;
X---------X - рециркуляция 10 %;
Д-------Д - рециркуляция 20 %;
А-----А - расход запального ДТ
46
максимальному крутящему моменту, в газодизельном процессе составляет 0,37, а в газодизельном с 10%- и 20%-ной РОГ - 0,36 и 0,35, что ниже на 2,7 и 5,4 % соответственно. При работе газодизеля с РОГ часовой расход воздуха и а уменьшаются пропорционально увеличению степени рециркуляции. Температура ОГ при работе с рециркуляцией снижается незначительно с увеличением степени РОГ. Температура рециркулируемых ОГ при работе с 20%-ной РОГ на всех скоростных режимах не превышает 67 °С [7].
Сравнивая эффективные показатели дизеля при работе на ДТ и МТЭ следует отметить, что в диапазоне изменения частот вращения от 1400 до 2400 мин-1 применение МТЭ приводит к увеличению Ст на 30,2 и 19,5 %, а gе на 20,2 и 22,7 % соответственно. В этом же диапазоне частот вращения применение МТЭ приводит к снижению а на 11,1 и 17,7 %, Св на 8,7 и 5,6 %, Сд^ на 3,4 и 16,3 %, ^Тприв на 15,4 и 12,7 %, Пе на 3,5 и 4,6 % соответственно. Здесь также отметим, что снижение часового расхода воздуха обусловлено присутствием в молекулах МТЭ дополнительного атома кислорода. Крутящий момент и эффективная мощность при частоте вращения 2400 мин-1 соответствуют дизельному процессу, а при п=1400 мин1 незначительно возрастают. Температура ОГ при частоте вращения 1400 мин-1 соответствует дизельному процессу, а при п=2400 мин1 снижается на 16,4 %.
Сравнивая эффективные показатели дизеля при работе на ДТ и ЭТЭ можно отметить, что в диапазоне изменения частот вращения от 1400 до 2400 мин-1 применение ЭТЭ приводит к увеличению Ст на 22,8 и 14,0 %, а gе на 16,9 и 18,2 % соответственно. В этом же диапазоне частот вращения применение ЭТЭ приводит к снижению а на 5,6 и 5,9 %, Св на 13,0 и 5,6 %, СДТприв на 12,5 и 21,6 %, ^Тприв на 18,7 и 19,1 %, Пе на 1,5
и 3,0 % соответственно. Крутящий момент и эффективная мощность при частоте вращения 2400 мин-1 соответствуют дизельному процессу, а при п=1400 мин1 незначительно возрастают. Температура ОГ при частоте вращения 1400 мин-1 на 8,9 % превышает температуру ОГ дизельного процесса, а при п=2400 мин1 снижается на 17,2 %.
Зависимости мощностных и экономических показателей работы дизеля 4Ч 11,0/12,5 на установочном УОВТ 23° и номинальной частоте вращения п=2200 мин-1 от изменения нагрузки представлены на рис. 3.
Применение КПГ на дизеле (см. рис. 3) при сохранении эффективной мощности приводит к следующему: снижению часового расхода воздуха, часового расхода топлива и коэффициента избытка воздуха; снижению на малых нагрузках и увеличению на больших эффективного КПД; увеличению на малых и снижению на средних и максимальных нагрузках удельного эффективного расхода топлива и температуры ОГ. Применение РОГ на газодизельном процессе приводит к росту удельного эффективного расхода топлива. Причем, при малом эффективном давлении от 0,13 до 0,26 МПа удельный эффективный расхода топлива, например, при работе с 20%-ной РОГ возрастает на 2,3.3,2 %, тогда как при номинальной нагрузке gе он выше на 5,1 %, чем при газодизельном процессе, но ниже на 10,3 %, чем при дизельном. Применение 40%-ной РОГ в диапазоне изменения нагрузки от 0,13 до 0,26 МПа приводит к росту gе от 3,5 до 6,5 %. Снижение же степени рециркуляции до 10 % на номинальном режиме приводит к росту gе всего на 2,4 % относительно газодизельного процесса, что на 12,8 % ниже дизельного процесса. Эффективный КПД при работе на газе с 40%-ной РОГ в диапазоне изменения нагрузки от 0,13 до 0,26 МПа снижается от 3,0 до 3,7 % относительно чисто газодизельного
процесса. При работе на номинальной нагрузке с 20%-ной РОГ пе ниже на 6,6 %. Снижение же степени рециркуляции до 10 % на номинальном режиме приводит к снижению пе на 3,0 % относительно газодизельного процесса, что на 4,2 % выше дизельного процесса. Часовой расход топлива на номинальном режиме при работе на газе с 20%-ной РОГ увеличивается на 6,4 %, а при работе с 10 %-ной РОГ - на 2,7 %, что ниже на 12,5 % дизельного процесса. Температура ОГ при работе с РОГ снижается незначительно на больших нагрузках с увеличением степени РОГ. Расход воздуха снижается пропорционально количеству добавленных во впускной коллектор ОГ. Температура рецирку-лируемых ОГ увеличивается с ростом степени рециркуляции и во всем диапазоне изменения нагрузок при степени рециркуляции р=40 % не превышает 68 °С. Рост удельного эффективного расхода топлива и снижение эффективного КПД при газодизельном процессе с РОГ в сравнении с чисто газодизельным связаны с ухудшением процесса сгорания в результате недостатка необходимого количества воздуха для окисления топлива [8-10].
Сравнивая эффективные показатели дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на ДТ и МТЭ и ЭТЭ на номинальной частоте вращения, можно отметить, что мощностные показатели дизеля при переходе на МТЭ и ЭТЭ полностью сохраняются и соответствуют дизельному процессу. Часовой расход топлива Ст при работе дизеля на МТЭ и ЭТЭ больше, чем СДТ при работе на ДТ. Значение Пе при работе на МТЭ и ЭТЭ ниже, чем при дизельном процессе, во всем диапазоне изменения нагрузок. Часовой расход воздуха Ов при работе на МТЭ и ЭТЭ незначительно повышается на малых нагрузках и снижается на средних и максимальных, что связано с присутствием кислорода в дисперсных фазах МТЭ и ЭТЭ. Присутствие кислорода
таким же образом влияет и на коэффициент избытка воздуха а.
Таким образом, можно сделать следующие выводы.
1. По результатам регулировочных характеристик в зависимости от изменения установочного угла опережения впрыскивания топлива для частот вращения 2200 и 1700 мин-1 был выбран в качестве оптимального для газодизельного, газодизельного с РОГ процессов, а также для работы на МТЭ и ЭТЭ установочный УОВТ 23° до верхней мертвой точки по мениску. Поскольку двигатель не имеет какого-либо устройства для
Рис. 3. Влияние применения КПГ с РОГ, МТЭ и ЭТЭ на мощностные и экономические показатели работы дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения нагрузки при ©впр=23° и п=2200 мин-1:
□-□ - дизельный процесс;
О----О - газодизельный процесс;
X---------X - рециркуляция 10 %;
А-------А - рециркуляция 20 %;
О-----О - рециркуляция 30 %;
□..............□ - рециркуляция 40 %;
А----"А - расход запального ДТ
быстрого изменения установочного УОВТ, это же значение рекомендовано и для дизельного процесса.
2. При работе на КПГ с РОГ при малых нагрузках (ре=0,13...0,26 МПа) возможно применение РОГ в размере 40 %, а при максимальных нагрузках необходимо снижение степени рециркуляции до 10 %.
3. На номинальном режиме работы (ре=0,64 МПа, п=2200 мин1) и установочном УОВТ 0впр=23° применение КПГ
с РОГ, МТЭ и ЭТЭ приводит к следующим (табл. 1) значениям мощностных и экономических показателей работы дизеля 4Ч 11,0/12,5.
4. На режиме максимального крутящего момента (ре=0,69 МПа, п=1700 мин1) и установочном УОВТ ©впр=23° применение КПГ с РОГ, МТЭ и ЭТЭ приводит к следующим (табл. 2) значениям мощностных и экономических показателей работы дизеля 4Ч 11,0/12,5.
Таблица 1
Мощностные и экономические показатели дизеля 4Ч 11,0/12,5
Процесс N кВт Яг> г/(кВт-ч) ^ДТприв, г/(кВт-ч) кг/ч ^ДТприв, кг/ч
Дизельный 243 - 13,4 -
Применение КПГ 207 (снижение на 14,8 %) - 11,4 (снижение на 14,9 %) -
Применение КПГ и РОГ (10 %) 55,3 212 (снижение на 12,8 %) - 11,7 (снижение на 12,7 %) -
Применение МТЭ 316 (увеличение на 23,1 %) 213 (снижение на 12,3 %) 17,5 (увеличение на 23,4 %) 11,8 (снижение на 11,9 %)
Применение ЭТЭ 297 (увеличение на 18,2 %) 200 (снижение на 17,7 %) 16,3 (увеличение на 17,8 %) 11,0 (снижение на 17,9 %)
Таблица 2
Мощностные и экономические показатели дизеля 4Ч 11,0/12,5
Процесс N кВт г/(кВт-ч) ^еДТприв, г/(кВт-ч) кг/ч ^ДТприв' кг/ч
Дизельный 230 - 10,7 -
Применение КПГ 202 (снижение на 12,2 %) - 9,3 (снижение на 13,1 %) -
Применение КПГ и РОГ (10 %) 43,2 208 (снижение на 9,6 %) - 9,7 (снижение на 9,4 %) -
Применение МТЭ 299 (увеличение на 23,1 %) 202 (снижение на 12,2 %) 14,3 (увеличение на 25,2 %) 9,7 (снижение на 9,4 %)
Применение ЭТЭ 286 (увеличение на 19,6 %) 193 (снижение на 16,1 %) 13,1 (увеличение на 18,3 %) 8,8 (снижение на 17,8 %)
Литература
1. Лиханов В.А., Лопатин О.П. Исследование показателей процесса сгорания в тракторном дизеле при применении природного газа и рециркуляции, метаноло-
и этаноло-топливных эмульсий // Тракторы и сельхозмашины. - 2015. - № 9. - С. 3-5. 49
2. Лопатин О.П. Разработка программы по применению оборудования для испытания газодизелей // Молодой ученый. - 2015. - № 12 (92). - С. 229-232.
3. Лиханов В.А., Лопатин О.П. Модель расчета содержания оксидов азота в цилиндре газодизеля. В сборнике: Общество, наука, инновации (НПК - 2014) Всероссийская ежегодная научно-практическая конференция: сборник материалов: общеуниверситетская секция, БФ, ГФ, ФЭМ, ФАВТ, ФАМ, ФПМТ, ФСА, ХФ, ЭТФ. - Вятка: Вятский государственный университет, 2014. - С. 2001-2004.
4. Лопатин О.П. Химизм процесса образования оксидов азота в цилиндре газодизеля // Современная наука: актуальные проблемы и пути их решения. - 2015. - № 3 (16). - С. 28-30.
5. Лопатин О.П. Исследование индикаторных показателей газодизеля при работе с рециркуляцией отработавших газов // Молодой ученый. - 2015. - № 10 (90). - С. 253-255.
6. Лопатин О.П. Влияние степени рециркуляции отработавших газов на эффективные и экологические показатели дизеля // Приволжский научный вестник. - 2015. - № 5-1 (45). - С. 90-92.
7. Лиханов В.А., Лопатин О.П. Влияние рециркуляции отработавших газов на индикаторные показатели газодизеля // Современная наука: актуальные проблемы и пути их решения. - 2015. - № 4 (17). - С. 31-33.
8. Лопатин О.П. Улучшение экологических показателей тракторного дизеля путем применения природного газа и рециркуляции. В сборнике: Сборник научных трудов по материалам Восемнадцатой международной научно-практической конференции «Инновационные направления развития АПК и повышение конкурентоспособности предприятий, отраслей и комплексов - вклад молодых ученых». - Ярославль: ФГБОУ ВПО «Ярославская ГСХА», 2015. - С. 30-34.
9. Лопатин О.П. Результаты индицирования рабочего процесса газодизеля на режиме максимального крутящего момента // Современная наука: актуальные проблемы и пути их решения. - 2015. - № 5 (18). - С. 8-9.
10. Лопатин О.П. Влияние степени рециркуляции на характеристики процесса сгорания тракторного газодизеля // Молодой ученый. - 2015. - № 14. - С. 166-168.
Требования по подготовке статей к опубликованию в журнале
В связи с тем, что Международный научно-технический журнал Национальной газомоторной ассоциации «Транспорт на альтернативном топливе» включен в обновленный Перечень ВАКа, просьба ко всем авторам строго выполнять следующие требования при подготовке статей к публикации:
1. Все научно-технические статьи должны иметь на русском и английском языках следующие составляющие:
заголовок, ФИО авторов полностью, их должности, ученая степень (при наличии), контакты (e-mail, телефоны), аннотации, ключевые слова.
2. Все английские тексты следует набирать только строчными буквами, сохраняя начальные прописные буквы в именах собственных.
3. Авторы остальных публикаций (информационных, рекламных и т.д.) представляют на русском и английском языках: заголовок, ФИО авторов полностью, их должности, адрес и контакты (e-mail, телефоны).
Редакция журнала также доводит до сведения авторов требования, которые необходимо соблюдать при подготовке статей для публикации.
Материалы статей должны быть представлены по электронной почте в программе WinWord. Объем статьи -не более 15 000 знаков с пробелами.
Представленный текстовый материал с иллюстрациями и таблицами должен иметь сквозную нумерацию. Графический материал должен быть выполнен в формате, обеспечивающем ясность всех деталей рисунков. Формулы и символы должны быть четкими и понятными. Все обозначения в формулах необходимо расшифровать. Нумеруются только те формулы, на которые сделаны ссылки в тексте. Обозначения физических величин и единиц измерений необходимо давать
в Международной системе единиц (СИ). Обязательно соблюдение действующих ГОСТов. Текст и таблицы должны быть выполнены в программе Word в формате doc, rtf. Фотографии и графические рисунки (не менее 300 dpi, CMYK) - в формате jpg, jpeg, tiff, pdf. Не следует форматировать текст самостоятельно.
При пересылке материалов по е-mail следует сопровождать их пояснительной запиской (от кого, перечень файлов и т.д.). Объемные файлы должны быть заархивированы. При подготовке статей к печати необходимо руководствоваться документами, определяющими правила передачи информации через СМИ. Авторский коллектив должен указать ответственное лицо, с которым редакция будет вести переговоры в процессе подготовки статьи к изданию. В список литературы включаются источники, на которые есть ссылки в статье. Ссылаться можно только на опубликованные работы. Список литературы составляется в порядке употребления. В нем приводятся следующие сведения: фамилия и инициалы авторов, название работы; для журнала - название, год издания, номер, страницы, на которых размещена статья; для книг - место и год издания, издательство, общее число страниц. Редакция оставляет за собой право редакторской правки и не несет ответственности за достоверность публикации. Все внесенные изменения и дополнения в представленную к изданию статью согласовываются с автором или представителем авторского коллектива.
Редакция оставляет за собой право размещать опубликованные статьи на сайтах журнала и Национальной газомоторной ассоциации. Редакция не передает и не продает материалы для публикации в других печатных и электронных изданиях без согласования с автором (представителем авторского коллектива).
НП «Национальная газомоторная ассоциация» (НГА) ijpil
"^еоци»^
