CC BY
46
УДК 621.436.001
ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ДИЗЕЛЯ КАМАЗ-740 ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ВОДНОТОПЛИВНОЙ ЭМУЛЬСИИ
В.В. Горбунов, Н.Н. Патрахальцев
Кафедра комбинированных ДВС Российского университета дружбы народов 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6
Рассмотрено влияние воднотопливной эмульсии (ВТЭ) на работу дизеля КАМАЗ-740. Исследованы физические свойства ВТЭ при ее приготовлении непосредственно в форсунке при использовании специального клапана РНД. Исследования показали, что при работе дизеля на ВТЭ снижается дымность ОГ.
В настоящее время основным силовым агрегатом для различных транспортных средств является дизель, который обладает хорошей экономичностью, но его недостатком является повышенная дымность отработавших газов (ОГ) или выброс твердых частиц (ТЧ).
В связи с тем, что нормы на дымность ОГ периодически пересматриваются (табл.1) и при этом ужесточаются, конструкторы при проектировавнии двигателя вносят различные конструктивные изменения или применяют дополнительные устройства для снижения дымности, а эксплуатационники для этой цели используют различные альтернативные топлива.
Таблица 1
Экологические нормы для дизелей грузовиков полной массой свыше 3,5 т
Показатель Ед. измер. EUR0 3 EURO 4 EURO 5
g/kWh ESC1 ETS2 ESC ETS ESC ETS
NOx g/kWh 5,0 5,0 3,5 3,5 2,0 2,0
СН g/kWh 0,66 - 0,46 - 0,46 -
СО g/kWh 2,1 5.45 1,5 4,0 1,5 4,4
РМ (ТЧ) g/kWh 0,1/0,13 0,16/0,21 0,02 0,03 0,02 0,03
NMHC3 g/kWh - 0,78 - 0,55 - 0,55
СН4 g/kWh - 1.6 - 1,1 - 1,1
Smoke (Дым) in' 0,8 - 0,5 - 0,5 -
lESC - European Steady Cycle
2 ETC - European Transient Cycle
3 Без содержания метана
CH4- только для газовых дизелей
В качестве метода снижения дымности ОГ применяют эмульгирование дизельного топлива (ДТ) добавкой к нему воды (водных растворов). Перевод работы дизеля на эмульгированное топливо улучшает его экологические показатели (в частности, дымность ОГ).
Качество ВТЭ в значительной степени определяется методом ее получения. Как правило, основным методом является принцип дробления дисперсной фазы (например, воды) в топливе с одновременной стабилизацией эмульсии при помощи стабилизаторов.
Устройства для приготовления ВТЭ должны удовлетворять следующим требованиям:
- обеспечивать высокую стабильность и мелкодисперстность эмульсии, в результате чего исключалась бы возможность расслоения составляющих ВТЭ при ее подготовке и до подачи в камеру сгорания двигателя;
- получение ВТЭ требуемого состава в зависимости от режима работы дизеля;
- создание требуемой вязкости ВТЭ, подаваемой в цилиндры;
- обеспечение надежного, простого и быстрого перевода дизеля с работы на ВТЭ на работу на чистом ДТ;
- создание условий безотказной работы двигателя, топливной аппаратуры и устройств для подачи воды.
Можно выделить два способа приготовления ВТЭ: использование предварительно приготовленной эмульсии (топливный бак заправлен эмульсией) и эмульгирование топлива непосредственно на двигателе во время его работы.
В первом случае не требуется изменения конструкции системы питания, так как ВТЭ поступает из бака через штатную топливную систему, но ее использование затруднено из-за плохой стабильности, опасности замерзания, возможности коррозионного износа элементов топливной аппаратуры и др.
Во втором случае необходима установка на двигатель дополнительных устройств для приготовления ВТЭ, которая затем подается или во впускной трубопровод, или цилиндр. Впрыскивание воды непосредственно в цилиндр имеет два преимущества перед ее подачей во впускной трубопровод. Во-первых, подача воды в цилиндр может быть осуществлена в оптимальный для этого момент, а во-вторых, существует возможность регулирования закона подачи и тонкости распыливания воды, а следовательно - регулирования ее испарения. В связи с этим, в настоящее время для автотракторных дизелей отдается предпочтение приготовления ВТЭ непосредственно на силовой установке.
При приготовлении ВТЭ на силовой установке легче обеспечить контроль соотношение вода/топливо от режима работы двигателя и исключить воздействие эмульсии на элементы топливной аппаратуры. Для этого можно использовать клапан регулирования начального давления (клапан РИД), конструкция и принцип работы которого рассмотрены в работах [1, 2,3]. Клапан устанавливается на форсунку. Начальная стадия смешивания воды с топливом происходит в корпусе клапана, затем - в форсунке, а окончательное - в камере сгорания, где происходит дробление и распыливание на мельчайшие частицы двухфазной среды при выходе ее из отверстий распылителя под большим давлением.
При экспериментальных исследованиях были рассмотрены физические свойства ВТЭ. При испытаниях приготовление ВТЭ осуществлялось подачей воды через специальный клапан РНД, установленный на форсунке, отрегулированной на номинальное давление впрыскивания. Поступление воды в клапан РНД происходит за счет наличия в линии высокого давления волн сжатие-разрежение.
Стабильность ВТЭ определялась при впрыскивании ее через форсунку в мерную колбу (мензурку). После впрыскивания в мензурку визуально определялась степень расслоения ВТЭ и состав полученных в результате расслоения эмульсии компонентов.
Эмульсия, полученная, например, в отдельном механическом смесителе (рис.1, а), со временем расслаивается на два объема: I - объем ДТ и IV - объем эмульсии, причем эти объемы зависят от соотношения топливо/вода и времени хранения эмульсии.
При получении эмульсии при подаче воды через клапан РНД, она также получалась нестабильной и расслаивалась. Расслоение происходило на три составляющих объема: в нижней части мензурки оседала вода с небольшим количеством эмульгированного топлива (объем II, рис. 4, б, в), в верхней части - ДТ (I) с небольшим количеством эмульгированной воды (при эксперименте получалось замутненное ДТ), а между ними - промежуточный слой (III) белого цвета (“молоко"), представляющий собой сильно эмульгированную смесь топлива и воды. Добавление в этот объем марганцово-кислого калия оставляло в “молоке11 тончайшие следы растворения, что подтверждает наличие в растворе воды. Плотность этой жидкости меньше, чем у воды, но больше чем у топлива.
а <5 в
Рис.1. Характер расслоения ВТЭ
Полученная ВТЭ довольно быстро расслаивается, а объемное соотношение во-да/”молоко" может быть различным и зависит от того, какого соотношение топливо/вода.
При увеличении подачи воды через обратный клапан увеличивается объем II, а при уменьшении воды увеличивается объем III.
Целью исследований являлось подтверждение возможности создания рабочего процесса дизеля при его работе на смесях ДТ с добавкой воды с целью снижения дымности ОГ.
Объектом исследования являлся автомобильный дизель КАМАЗ-740. Испытания проводились при работе двигателя на чистом ДТ и смесях ДТ с добавкой дистиллированной воды. Количество добавки изменялось в зависимости от режима работы дизеля. Подача воды в форсунку осуществлялась через обратный клапан.
На рис.2 показана зависимость дымности ОГ при работе дизеля на различных скоростных режимах. При испытании двигателя при его работе на ВТЭ количество воды не регулировалось, а зависило от режима работы самого двигателя (топливной аппаратуры) и на различных режимах составило от 4 до 26%.
Рис. 2. Зависимость дымности ОГ дизеля КАМАЗ-740 при его работе на смесевом топливе при постоянной нагрузке:
----О-----ДТ: —X- - ДТ+н2о
Снижение дымности происходит потому, что улучшается процесс смесеобразования за счет того, что в камере сгорания воникают "микровзрывы", так как капли смесевого топлива состоят из частиц ДТ, внутри которых содержится вода. При нагреве этих частиц, содержащаяся в них вода переходит в пар, и эмульгированные частицы топлива "взрываются", образуя дополнительные (мелкодисперсные) частицы, которые подвергают окружающие их частицы дополнительному дроблению. При этом происходит интенсивное поступление воздуха в распыл эмульсии и увеличение локальной избыточности воздуха в факеле распыленного топлива, в чего результате происходит более качественное перемешивание топлива с воздухом.
Если на раскаленную металлическую пластину 1 (рис.З) капнуть каплю эмульсии 2,то капля за счет нагрева "взрывается" (вследствие быстрого увеличения ее объема) с образованием новых капель 3, которые затем образуют аналогичным образом новые капли. В ре-
Рис.З. Схема дробления капли ВТЭ:
1 - пластина; 2- исходная капля ВТЭ; 3 - капли ВТЭ после дробления; 4 - остаток (зола)
Бои:, ед.
~ ~'l ДГ-гНоО 2f>00 ьы
t
**1400 Чим -t
f 3 І 4600 niuu J ; ■—
14 18 22 25 0, •„&
Рис.4. Зависимость дымности ОГ от угла опережения впрыскивания топлива 0
На рис.4 показано влияние смесевого топлива на дымность ОГ в зависимости от угла опережения впрыскивания топлива при работе дизеля на ВТЭ. Максимальное увеличение угла опережения впрыскивания топлива при эксперименте составило 4 градуса от угла поворота коленчатого вала. Увеличение угла впрыскивания, по всей видимости, происходит потому, что происсходит отвод тепла. Исходный угол опережения впрыскивания выставлялся с помощью дизельного тестера Бош.
ЛИТЕРАТУРА
1. Патрахалъцев Н.Н. Дизельные системы топливоподачи с регулированием начального давления // Двигателестроение, 1980.-№10. - С.33-37.
2. Применение газовых топлив в ДВС. -М.: ИРЦ Газпрома, 1996. -196 с.
3. Горбунов В.В., Олесов И.Ю. Отключатели цилиндров и циклов дизеля. “Грузовик & 1999.-№9.
UDC 621.436.001
EXPERIMENTAL RESEARCH OF KAMAZ-740 DIESEL OPERATION WITH WATER-FUEL EMULSION
V.V. Gorbunov, N.N. Patrahaltsev
Departament of Internal Combustion Engines Russian Peoples’ Friendship University Miklukho-Maklaya St., 6, 117198 Moscow, Russia
It is presented experimental research of KAMAZ-740 diesel operation using of water-fuel emulsion. It is shown that using of water-fuel emulsion improves ecological parameters of diesel.
