Исследование работы дизеля 4ч 11,012,5 на смесях дизельного топлива с биогазом Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Kl

10

ТЕХНОЛОГИИ echnologies

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ДИЗЕЛЯ 4Ч 11,012,5 НА СМЕСЯХ ДИЗЕЛЬНОГО

ТОПЛИВА С БИОГАЗОМ

Карташевич Анатолий Николаевич,

доктор технических наук, профессор 8-029-662-19-88, kartashevich@yandex. т

Шапорев Виталий Александрович,

аспирант 8-029-974-97-94, vitlik3991@mail. т

УО «Белорусская государственная сельскохозяйственная академия» (г. Горки, Беларусь)

УДК 621.43:502.1

Аннотация. Одной из основных задач при эксплуатации автотракторной техники является разработка мероприятий по защите окружающей среды от токсичных компонентов отработавших газов (ОГ) двигателей внутреннего сгорания. Биогаз один из наиболее экологически чистых топлив для транспортных средств, поскольку производит минимальный объем выбросов по двуокиси углерода и твердым частицам. Газовый двигатель работает тише, уменьшаются вибрации, что способствует улучшению условий труда водителей.

Статья посвящена разработке новых составов топлив на основе дизельного топлива (ДТ) и биогаза (БГ), удовлетворяющих требованиям их применения в дизеле. В статье приведены эффективные показатели работы дизеля и показатели его дымности и токсичности при работе на смесях, состоящих из 85% ДТ + 15% БГ, а также 70% ДТ + 30% БГ при различных значениях установочного угла опережения впрыскивания топлива. Приведены результаты стендовых испытаний дизеля при работе на этих составах топлив. На основе анализа полученных данных экспериментальных исследований определены оптимальные регулировки топливоподающей аппаратуры.

По результатам стендовых испытаний дизеля на смесях с БГ следуют выводы: 1) При работе дизеля на топливах с добавлением 15% БГ и 30% БГ оптимальным установочным углом опережения впрыскивания следует считать угол 0впр=22°; 2) Работа дизеля с добавками 15% БГ и 30% БГ, по количеству вводимой теплоты, позволяет сократить расход ДТ, соответственно, на 15% и 30%; 3) Работа дизеля на смесевых топливах с добавлением БГ сопровождается снижением выбросов с отработавшими газами частиц сажи во всем рассматриваемом диапазоне изменения установочного угла; 4) Работа дизеля на смесевых топливах с добавлением БГ во всем рассматриваемом диапазоне изменения установочного угла сопровождается увеличением выбросов с ОГ оксидов азота и несгоревших углеводородов.

Ключевые слова: дизель, дизельное топливо, биогаз, стендовые испытания, оптимальный угол, отработавшие газы, дымность, токсичность.

Kl

11

ТЕХНОЛОГИИ echnologies

STUDY OF THE OPERATION OF THE DIESEL ENGINE 4H 11,012,5 ON MIXTURES

OF DIESEL FUEL WITH BIOGAS

Anatoly N. Kartashevich,

Doctor of technical Sciences, Professor 8-029-662-1978, kartashevih@yandex. ru

Vitaly A. Shaporev,

post-graduate student 8-029-974-97-94, vitlik3991@mail. ru

Belarusian State Agricultural Academy

(Gorki, Republic of Belarus)

Abstract. One of the main tasks in the operation of automotive vehicles is the development of measures to protect the environment from toxic components of exhaust gases (exhaust) of internal combustion engines. Biogas is one of the most environmentally friendly fuels for vehicles, as it produces minimal emissions of carbon dioxide and particulate matter. The gas engine runs quieter, vibration is reduced, which helps to improve the working conditions of drivers.

The article is devoted to the development of new fuel compositions based on diesel fuel (DT) and biogas (BG) that meet the requirements of their application in diesel. The article is referred to effective performance of a diesel and the performance of its opacity and toxicity when operating on mixtures consisting of 85% diesel + 15% HD and 70% diesel + 30% BG at different values of the angle of installation of an advancing of injection of fuel. The results of bench tests of diesel when working on these fuel compositions are given. Based on the analysis of the experimental data, the optimal regulation of the fuel supply equipment was determined.

According to the results of bench tests of diesel engine with mixtures of BG following conclusions: 1) When using diesel fuels with the addition of 15% HD and 30% BG optimum installation angle of an advancing of injection should be considered 0vpr angle=22°; 2) Operation diesel with additives 15% HD and 30% BG, the amount of heat, allows to reduce the consumption of diesel fuel, respectively, 15% and 30%; 3) The diesel engine works on mixed fuels with the addition of the BG is accompanied by a reduction in emissions from the exhaust gases of soot particles tend to be around the expected range of variation of the angle setting; 4) Work on mixed diesel fuels with the addition of BG in the whole considered range of variation of the angle of installation is accompanied by an increase of emissions in the EXHAUST gas of nitrogen oxides and unburned hydrocarbons.

Key words: diesel, diesel fuel, biogas, bench tests, optical angle, exhaust gases, smoke, toxicity.

Щ ТЕХНОЛОГИИ lechnologies

ISSN: 2658-4018

1. Введение

Выбросы автотракторной техники неудовлетворительно влияют на состояние атмосферы и на нее приходится около 70% общего объема выбросов загрязняющих веществ. При эксплуатации силовая установка трактора выбрасывает с ОГ более 1000 токсичных компонентов, среди них оксиды азота NOx, угарный газ СО, сажа С, несгоревшие углеводороды СпИш и некоторые другие. Перспективным направлением снижения дымности и токсичности выбросов является применение альтернативных видов топлива для силовых установок машин. Анализируя текущее положение дел с моторными топливами, можно сделать вывод, что их заменителями уже в ближайшее время могут быть: спирты (этанол, метанол), рапсовое масло и продукты его переработки, природный газ, генераторный газ, а также биогаз [1-4].

Биогаз - сравнительно новое, перспективное, экологически чистое и экономически выгодное моторное топливо для транспортных установок. По данным шведских и швейцарских ученых, БГ на 75% чище ДТ и на 50 % чище бензина [5].

Источниками получения биогаза служат продукты метанового брожения органических веществ растительного и животного происхождений. Эффективность технологии получения БГ отличается высокой рентабельностью, так как позволяет утилизировать стоки животноводческих ферм, сельскохозяйственные и бытовые отходы, отходы лесозаготовки и деревообработки. В мировом сельском хозяйстве накапливается столько отходов, что их энергопотенциал может дважды покрыть общемировой спрос на энергию [6-10].

В ходе исследований разрабатывались новые составы топлив на основе ДТ и БГ, удовлетворяющие требованиям их применения в дизеле. Исследовались эффективные показатели работы дизеля и показатели его дымности и токсичности при работе на смесях 85% ДТ + 15% БГ, а также 70% ДТ + 30% БГ. Содержание БГ в объеме 15% и 30% выбрано из условия наличия необходимого воздуха для обеспечения полноты процесса сгорания. БГ -является малоисследованным альтернативным топливом, отсутствуют необходимые теоретические расчеты. Соответственно, подача большого количества БГ при отсутствии необходимых данных может спровоцировать аварию дизеля. Поэтому нами проводятся исследования при подаче пошаговых объемов БГ.

2. Методы и материалы

Для выявления влияния состава смесевого топлива на эффективные и экологические показатели работы дизеля, определения его оптимальных регулировок на кафедре «Тракторов, автомобилей и машин для природообустройства» БГСХА были проведены экспериментальные исследования в специализированной научно-исследовательской лаборатория «Испытания двигателей внутреннего сгорания».

Экспериментальная установка включала в себя электротормозной нагрузочный стенд SAK-N670 производства Германии с балансирной маятниковой машиной, дизель 4ЧН 11,0/12,5 и комплект измерительных приборов с выводом данных на монитор компьютера. Коленчатый вал двигателя соединялся с валом электротормозного нагрузочного стенда посредством карданной передачи. Частота вращения коленчатого вала двигателя измерялась путем установки электронного датчика на коленчатый вал. Крутящий момент на коленчатом валу двигателя измерялся с помощью динамометрического устройства, входящего в состав нагрузочного стенда. Расход топлива определялся массовым способом при помощи электронного расходомера АИР-50 с весовым устройством. Подача БГ осуществлялась по запатентованной конструкции [11]. Отбор проб отработавших газов производился через установленные на выпускном тракте дизеля газозаборники. Анализ проб ОГ производился с помощью автоматического газоанализатора Maha MGT-5. Дымность ОГ измерялась с помощью дымомера СИДА-107 «АТЛАС». Все приборы прошли государственную поверку.

ТЕХНОЛОГИИ echnologies

При проведении исследований ДТ замещалось БГ в процентном отношении по величине суммарной вводимой в цилиндры дизеля теплоты, значение которой оставалось постоянным. Состав БГ применяемого для исследований представлен в таблице 1.

Таблица 1 - Состав биогаза, применяемого в исследованиях

N, п.п. Наименование вещества Молярные доли, %

1 H2S 0,0800

2 O2 1,3881

3 N2 5,8861

4 CH4 61,1161

5 CO2 31,6161

6 C3H8 0,0018

7 i-C4H10 0,0010

8 n-C4H10 0,0024

9 i—C5H12 0,0014

10 n-C5H12 0,0015

11 C6H14 0,0055

12 Сумма 100,00

3. Результаты

Переводя дизель для работы на смеси БГ с ДТ, важно сохранить его мощностные и экономические показатели на уровне, установленном заводом-изготовителем. Для выполнения этого условия было необходимо определить эффективные регулировки системы топливоподачи дизеля. С этой целью первоначально было установлено влияние составов БГ и ДТ на значения оптимального установочного угла опережения впрыскивания топлива. Согласно руководству по эксплуатации, установочный угол опережения впрыскивания топлива для тракторного дизеля 4ЧН 11,0/12,5 (Д-245^2) при работе на чистом ДТ составляет 0впр. = 18°.

Оптимальный установочный угол опережения впрыскивания топлива определялся из соответствующей регулировочной характеристики (рис. 1 и 2), для построения которой снимался ряд нагрузочных характеристик по подаче топлива при различных значениях установочного угла опережения впрыскивания топлива, для составов 85% ДТ + 15% БГ, а также 70% ДТ + 30% БГ.

Из данных представленных графиков (рис. 1) видно, что при работе дизеля на чистом ДТ оптимальным установочным углом опережения впрыскивания является угол ©впр= 18° поворота коленчатого вала (п.к.в.). При этом дизель развивает наибольшую паспортную мощность 69 кВт, значение удельного эффективного расхода теплоты равно ge 9,76 МДж/кВтч, значение крутящего момента составляет Мк = 363 Н м, значение эффективного КПД составляет %=0,37.

ТЕХНОЛОГИИ echnologies

Рисунок 1. Регулировочная характеристика дизеля 4ЧН 11,0/12,5 при п = 1800 мин -1 (мощностные и экономические показатели)

При переводе дизеля для работы на смеси, содержащей 85% ДТ и 15% БГ значение оптимального установочного угла увеличивается и составляет ©впр=22° п.к.в. Мощность дизеля при этом наибольшая и составляет ^=68 кВт. Удельный эффективный расход теплоты при этом равен ge=11,63 МДж/кВтч. Крутящий момент также наибольший и составляет Мк=344 Нм, а значение эффективного КПД составляет % = 0,36. При уменьшении или увеличении установочного угла происходит снижение эффективной мощности, увеличение удельного эффективного расхода теплоты и уменьшение величины крутящий момента.

Увеличение значения оптимального установочного угла опережения впрыскивания топлива объясняется замедлением скорости процесса сгорания вследствие наличия в составе БГ медленно горящих компонентов (табл. 1).

При работе дизеля на смеси, содержащей 70% ДТ + 30% БГ, характер изменения кривых удельного эффективного расхода теплоты, эффективной мощности и крутящего момента практически не изменяется.

Наибольшая мощность дизеля N = 56 кВт достигается при значении оптимального установочного угла 0впр.=22...24° п.к.в. Значение удельного эффективного расхода теплоты при этом составляет ge = 12,76 МДж/кВтч. Крутящий момент также наибольший и составляет Мк = 296 Н м. Значение эффективного КПД составляет % = 0,34. При изменении установочного угла происходит снижение эффективной мощности, увеличение удельного эффективного расхода теплоты и уменьшение величины крутящий момента. Учитывая

ТЕХНОЛОГИИ echnologies

конструктивные возможности установки угла ©впр., оптимальным его значением в данном случае также следует считать угол ©впр. = 22о п.к.в.

Содержание токсичных компонентов в отработавших газах дизеля 4ЧН 11,0/12,5 (Д-245^2) в зависимости от изменения установочного угла опережения впрыскивания топлива при частоте вращения 1800 мин-1 представлено на рисунке 2.

Видно, что рост установочного угла ©впр. в пределах от 6 до 30 градусов п.к.в. вызывает снижение выбросов сажи С с 0,5 % до 12 %. Выбросы суммарных оксидов азота NOx и несгоревших углеводородов CnHm при этом возрастают. Для оксидов азота NOx этот рост составляет 95 %, с 151 до 2976 ppm, а для несгоревших углеводородов CnHm составляет 81,5 %, с 5 до 27 ppm соответственно.

Содержание других токсичных компонентов - СО и СО2 с изменением установочного угла изменяется несущественно.

Увеличение содержания БГ в смеси вызывает снижение выбросов сажи С во всем рассматриваемом диапазоне изменения установочного угла. Так, при угле 0впр=18° и работе на чистом ДТ, относительное содержание сажи С составляет 8,9%. Добавка 15% БГ и 30% БГ в смесь при угле 0впр=22° снижает относительное содержание сажи до 2,5% и 0,5%, соответственно.

Ч1Д ppm

3200 2200 1200 200

с. % 8

4

1

СО. %

0.06

□,01

J

N0x

ps-si

Гп J

■

--- —

с

— ■ —' ----- ь ■ -1

--- ------1 1

С 32

== -----— ____--I ---1 г. " —

со

_,___-4

_ - -

CnHm, ррт

30 20 10

COi, % 9

10

% 18 22 26

30

Дизельное тпплиЙО;

Смесь 85% ¡Зиэельное топливо с 15% Эшгвд Смесь 70% Эозельное топлива с 30% Зиогоэа;

Рисунок 2. Регулировочная характеристика дизеля 4ЧН 11,0/12,5 при n = 1800 мин - (показатели дымности и токсичности)

Щ ТЕХНОЛОГИИ lechnologies

ISSN: 2658-4018

Выброс оксидов азота NOx увеличивается при росте угла 0впр., как при работе на чистом ДТ, так и при работе с добавками БГ. Рост оксидов азота NOx содержания в ОГ дизеля легко объясняется увеличением локальной и осредненной температур цикла при ранних углах опережения впрыскивания топлива.

Выбросы несгоревших углеводородов CnHm с увеличением содержания БГ в смеси также увеличиваются. Так, для значения установочного угла 0впр. = 22° при работе на чистом ДТ их количество составляет 8%, а при работе на смеси 70% ДТ + 30% БГ - уже 17%. Рост выбросов несгоревших углеводородов при работе дизеля с добавками БГ можно объяснить наличием в последнем многочисленных плохо горящих компонентов (табл. 1).

Работа дизеля на топливе с добавлением БГ сопровождается повышением выбросов оксидов углерода СО с отработавшими газами. Так, для топлива с концентрацией БГ=30% при угле 0впр=22° выброс СО составляет 0,02%, что на 50% выше, чем при работе дизеля на чистом ДТ. Указанное обстоятельство объясняется снижением наличия свободного кислорода в составе заряда из-за понижения коэффициента избытка воздуха при добавке в топливо БГ. Известно, что при наличии свободного кислорода и достаточного времени углерод в составе топлива вначале образует оксид углерода и лишь затем доокисляется в диоксид углерода СО2.

Эмиссия диоксидов углерода СО2 с ОГ изменяется в незначительных пределах, как при работе дизеля на ДТ, так и при его работе на рассматриваемых смесях ДТ и БГ. Максимальное значение выбросов СО2 для этих топлив достигается при 0впр.= 22° и составляет 8,51% на чистом ДТ, и 6,91% на смеси 70% ДТ + 30% БГ, соответственно. Следует, однако, учитывать, что диоксид углерода СО2 является наименее опасным с физиологической точки зрения.

4. Заключение

На основе анализа приведенных данных можно сформулировать следующие основные выводы:

1. Показатели работы дизеля на чистом ДТ соответствуют паспортным данным и достигаются при регламентированном значении установочного угла опережения впрыскивания топлива 0впр=18°. При работе дизеля на топливах с добавлением 15% БГ и 30% БГ оптимальным установочным углом опережения впрыскивания следует считать угол

2. Работа дизеля с добавками 15% БГ и 30% БГ, по количеству вводимой теплоты, позволяет сократить расход ДТ, соответственно, на 15% и 30%. При этом, в зависимости от режима работы дизеля, значения эффективной мощности и эффективного КПД остаются на уровне, характерном для работы дизеля на чистом ДТ или снижаются, но не более, чем на 6%.

3. Работа дизеля на смесевых топливах с добавлением БГ сопровождается снижением выбросов с отработавшими газами частиц сажи во всем рассматриваемом диапазоне изменения установочного угла. Это снижение равно 71,9% при содержании 15% БГ, и 99,4% при содержании 30% БГ, соответственно, по сравнению с показателями работы дизеля на чистом ДТ.

4. Работа дизеля на смесевых топливах с добавлением БГ во всем рассматриваемом диапазоне изменения установочного угла сопровождается увеличением выбросов с отработавшими газами оксидов азота и несгоревших углеводородов. Рост выбросов составляет: для оксидов азота - 151.2976 ppm, для несгоревших углеводородов - 5.27 ppm.

5. Конфликт интересов

Авторы подтверждают, что представленные данные не содержат конфликта интересов.

0впр=220.

Щ ТЕХНОЛОГИИ lechnologies

ISSN: 2658-4018

6. Благодарности

Работа была подготовлена при поддержке (УО «БГСХА») Белорусская государственная сельскохозяйственная академия.

Список литературы

1. Карташевич, А.Н. Альтернативные виды топлива для двигателей / А.Н. Карташевич, В.С. Товстыка, П.Ю. Малышкин, Г.Н. Гурков, А.В. Бучинскас. - Горки: БГСХА - 2012. - 376 с.

2. Карташевич, А.Н. Основные принципы и расчетные соотношения теоретических исследований процесса сгорания спиртосодержащих топлив в дизеле. / А.Н. Карташевич, С.А. Плотников // Вестник Белорусской государственной сельскохозяйственной академии. - 2007.

- M 2. - С. 145-149.

3. Kartashevich, A.N. Flammability of New Diesel Fuels / A.N. Kartashevich, S.A. Plotnikov // Russian Engineering Research. - 2018. - Vol. 38, No. 6.- Р. 424-427.

4. Карташевич, А.Н. Исследование работы двигателя 1Ч 6,8/5,4 на альтернативных топливах / А.Н. Карташевич, П.Ю. Малышкин, С.А. Плотников, А.С. Зубакин // Вестник Белорусской государственной сельскохозяйственной академии. - 2016. - M 4. - С. 115-117.

5. Плотников, С.А. Разработка числовых методов определения свойств новых топлив/ С.А. Плотников, А.Н. Карташевич // Вестник машиностроения. - 2018. - M 3. - С. 7-10.

6. Плотников, С.А. Улучшение смесей дизельного топлива с рапсовым маслом для использования в тракторных дизелях / С.А. Плотников, А.Н. Карташевич, П.Н. Черемисинов // Двигателестроение, 2017. - M 4. - С. 21-24.

7. Образование и разложение загрязняющих веществ в пламени. Пер. с англ. /Под ред. Ю.Ф. Дитякина. - М.: Машиностроение, 1981. - 408 с.

8. Williams, F.A. Combustion theory. - Benjamin. //Cummings. - Menlo Park, 1984.

9. Данилов, А.М. Введение в химмотологию. - М.: Техника. ООО "ТУМА ГРУПП", 2003. -464 с.

10. Кухаренок, Г.М. Теория рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания / Методическое пособие для студентов заочной формы обучения специальностей 1-37.01.01 Двигателей внутреннего сгорания. - Минск: БНТУ, 2011. - 62 с.

11. Пат. 20669 Республика Беларусь. МПК F02 М 43/00. Система подачи газового топлива в двигатель внутреннего сгорания на переходных режимах / А. Н. Карташевич, П. Ю. Малышкин, Д. С. Короленок; заявитель УО «Белорусская государственная сельскохозяйственная академия». Зарегистрирована в государственном реестре полезных моделей 2016.03.01. // Афщыйны бюл. / Вынаходствы. Карысныя мадэль Прамысловыя узоры.

- Мн.: Дзяржауны патэнтны камггэт РэспублЫ Беларусь, 2016. - N°2 (105).