CC BY
0
ТЕХНОЛОГИИ, МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА
рщн
Исследование токсичности при работе тракторного дизеля на топливах с добавкой рапсового масла
Сергей Александрович Плотников18, Шамиль Викторович Бузиков2, Илья Сергеевич Козлов3, Евгений Георгиевич Зыков4, Василий Леонидович Андреев5
12 3' 4 Вятский государственный университет, Киров, Россия
5Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, Княгинино, Россия 1 PlotnikovSA@bk.ru181' https://orcid.org/0000-0002-8887-4591 2Shamilvb@mail.ги, https:orcid.о^/0000-0003-3769-3253 3vz-43@mail.ru, https://оrcid.org/0000-0003-1448-5144
4 Edgeki@mail. т
5 andreev.vas@mail.ru
Научная статья УДК 62-637
DOI: 10.24412/2227-9407-2024-1-29-40 EDN: ESXOTR
Аннотация
Введение. Российская техника агропромышленного комплекса оснащается дизелями в силу того, что они имеют достаточный ресурс, необходимую мощность и достаточную надежность. Сельскохозяйственные процессы весьма энергозатратны, что также говорит в пользу дизелей. Наряду с высокими эффективными показателями дизель характеризуется значительным содержанием токсичных компонентов в отработавших газах, особенно сажи и оксидов азота. В настоящее время известны и применяются различные методы снижения токсичности - установка систем нейтрализации и дожигания, фильтрование и т. д. Одним из перспективных способов улучшения экологических показателей дизелей может быть применение альтернативных топлив (низших спиртов, растительных масел, природного и промышленного газа и т. д.).
Материалы и методы. Ранее было установлено, что в процессе расширения, когда температура газов в цилиндре уменьшается, концентрация оксидов азота не снижается до равновесного, а остаётся на уровне максимальной. На большинстве рабочих режимов работы дизеля температура продуктов сгорания выше указанных значений, поэтому большая часть оксидов азота приходится на долю монооксида N0. На эмиссию оксидов азота в продуктах сгорания влияют низкотемпературные свойства применяемого топлива, температура и концентрация кислорода в отработавших газах, а также количество рапсового масла в топливе. Дополнительно на механизм образования оксидов азота оказывает влияние цетановое число применяемого топлива. В известных работах для расчёта количественной зависимости содержания оксидов азота в отработавших газах дизеля использовалось выражение, позволяющее рассчитать их значение в зависимости от доли испарившегося за время периода задержки воспламенения топлива. Применение указанной зависимости для расчета выбросов оксидов азота в отработавших газах дизеля дает несколько неточные результаты.
Результаты. В результате проведенных исследований удалось определить содержание NОх в ОГ при работе дизеля при п = 1800 мин"1 и п = 1400 мин"1 и разных составах топлива с добавкой РМ и 2,0 % присадки DIFRON Н372, а также содержание N0x в ОГ при работе дизеля при ре = тах и разных составах топлива с добавкой РМ и 2,0 % присадки DIFRON Н372. По полученным расчётным значениям построены графики зависимости концентраций N0x в ОГ дизеля 4ЧН 11,0/12,5.
© Плотников С. А., Бузиков Ш. В., Козлов И. С., Зыков Е. Г., Андреев В. Л., 2024
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License. The content is available under Creative Commons Attribution 4.0 License.
Вестник НГИЭИ. 2024. № 1 (152). C. 29-40. ISSN 2227-9407 (Print) Bulletin NGIEI. 2024. № 1 (152). P. 29-40. ISSN 2227-9407 (Print) ШШШЛМЙМ^ ТГГНМП1 nriFG МЛ ríííAfre Л ЫП
^^¡^¿ЩЩ^^^Щ^Щ^ lEL.nl\UbUUlES, РШЬПИЧПЭ EyulriVlElM g^ßl^^gl^tg^
СЛС Ш11 drsn ÍAfnírCTDf/l I глмог
run 1 na липи-шииэ1 rial ьитгьсл
Обсуждение. Расчёты показывают, что работа дизеля на топливах с добавками РМ и присадки DIFRON H372 должна сопровождаться снижением концентраций NOx в ОГ во всех рассматриваемых диапазонах нагрузки и частоты вращения коленчатого вала.
Заключение. При использовании топлив с добавками РМ от 0 до 55 % и 2,0 % присадки DIFRON H372 и снижении нагрузки с 1,0 до 0,2 МПа имеет место снижение концентрации NOx при n = 1800 мин-1 от 2630 до 131 ppm, а при n = 1400 мин-1 и снижении нагрузки с 1,2 до 0,2 МПа имеет место снижение концентрации NOx с 2490 до 307 ppm. При использовании топлив с добавками РМ от 0 до 55 % и 2,0 % присадки DIFRON H372, изменении частоты вращения коленчатого вала n от 1400 до 2000 мин-1 и максимальном значении нагрузки имеет место снижение концентрации NOx в 1,5 раза.
Ключевые слова: дизельное топливо, низкотемпературные свойства, оксиды азота, рапсовое масло, цетановое число, частота вращения, эффективная нагрузка
Для цитирования: Плотников С. А., Бузиков Ш. В., Козлов И. С., Зыков Е. Г., Андреев В. Л. Исследование токсичности при работе тракторного дизеля на топливах с добавкой рапсового масла // Вестник НГИЭИ. 2024. № 1 (152). С. 29-40. DOI: 10.24412/2227-9407-2024-1-29-40
Study of toxicity during operation of tractor diesel on fuels with the addition of rapeseed oil
Sergej A.Plotnikov1B, Shamil V. Buzikov2, Ilya S. Kozlov3, Evgeni G. Zykov4, Vasily L. Andreev5
12 3 4 Vyatka State University, Kirov, Russia
5 Nizhny Novgorod State Engineering and Economic University, Knyaginino, Russia 1 PlotnikovSA@bk.ru^, https://orcid.org/0000-0002-8887-4591 2Shamilvb@mail.ru, https:orcid.org/0000-0003-3769-3253 3vz-43@mail.ru, https://orcid.org/0000-0003-1448-5144
4 Edgeki@mail. ru
5 andreev.vas@mail.ru
Abstract
Introduction. The Russian machinery of the agro-industrial complex is equipped with diesel engines due to the fact that they have sufficient resource, the necessary power and sufficient reliability. Agricultural processes are very energy-intensive, which also speaks in favor of diesels. Along with high performance indicators, diesel is characterized by a significant content of toxic components in the exhaust gases, especially soot and nitrogen oxides. Currently, various methods of reducing toxicity are known and used - installation of neutralization and afterburning systems, filtration, etc. One of the promising ways to improve the environmental performance of diesel engines can be the use of alternative fuels (lower alcohols, vegetable oils, natural and industrial gas, etc.).
Materials and methods. Earlier it was found that during the expansion process, when the temperature of gases in the cylinder decreases, the concentration of nitrogen oxides does not decrease to equilibrium, but remains at the maximum level. In most operating modes of the diesel engine, the temperature of the combustion products is higher than these values, so most of the nitrogen oxides are accounted for by monoxide. The emission of nitrogen oxides in combustion products is influenced by the low-temperature properties of the fuel used, the temperature and concentration of oxygen in the exhaust gases, as well as the amount of rapeseed oil in the fuel. Additionally, the mechanism of formation of nitrogen oxides is influenced by the cetane number of the fuel used. In well-known works, an expression was used to calculate the quantitative dependence of the content of nitrogen oxides in diesel exhaust gases, which makes it possible to calculate their value depending on the proportion of fuel evaporated during the ignition delay period. Application of the specified dependence for calculation of nitrogen oxide emissions.
Results. As a result of the conducted studies, it was possible to determine the exhaust gas content during diesel operation at n = 1800 min-1 and n = 1400 min-1, and different fuel compositions with the addition of RSO and 2,0 % of the
Вестник НГИЭИ. 2024. № 1 (152). C. 29-40. ISSN 2227-9407 (Print) Bulletin NGIEI. 2024. № 1 (152). P. 29-40. ISSN 2227-9407 (Print)
VWWWW^V TFYHfl ППГИИ МЛ ШИНЫ И ПКПРУПППй f/urVWWWWW
VWWVWVW ППЯ ЛГРППРПМЫШПРННПГП КПМППРКГА
DIFRON H372 additive, as well as the exhaust gas content during diesel operation at pe = max and different fuel compositions with the addition of RSO and 2,0 % additives DIFRON H372. According to the calculated values obtained, graphs of the dependence of concentrations in the exhaust gas of diesel 4CHN 11,0/12,5 are constructed. Discussion. Calculations show that the operation of a diesel engine on fuels with RSO additives and DIFRON H372 additives should be accompanied by a decrease in exhaust gas concentrations in all considered load ranges and crankshaft speed.
Conclusion. When using fuels with RSO additives from 0 to 55 % and 2,0 % DIFRON H372 additives and reducing the load from 1,0 to 0,2 MPa, there is a decrease in concentration at n = 1800 min-1 from 2630 to 131 ppm, and at n = 1400 min-1 and reducing the load from 1,2 to 0,2 MPa, there is a decrease in concentration from 2490 ppm to 307 ppm. When using fuels with RSO additives from 0 to 55 % and 2.0 % DIFRON H372 additives, changing the crankshaft speed from 1400 min-1 to 2000
min- and the maximum load value, there is a 1,5-fold decrease in concentration.
Keywords: diesel fuel, low-temperature properties, nitrogen oxides, rapeseed oil, cetane number, rotational speed, effective load
For citation: Plotnikov S. A., Buzikov Sh. V., Kozlov I. S., Zykov E. G., Andreev V. L. Study of toxicity during operation of tractor diesel on fuels with the addition of rapeseed oil // Bulletin NGIEI. 2024. № 1 (152). P. 29-40. DOI: 10.24412/2227-9407-2024-1-29-40
Введение
Российская техника агропромышленного комплекса активно и давно оснащается дизелями в силу многих условий - они имеют достаточный ресурс работы, необходимую эффективную мощность и достаточную надежность. Сельскохозяйственные процессы, связанные с обработкой почвы, весьма энергозатратны, что также говорит в пользу использования дизельных двигателей. Однако наряду с высокими мощностными и эффективными показателями работы дизель характеризуется значительным содержанием вредных и токсичных компонентов в отработавших газах (ОГ), особенно частиц сажи и суммарных оксидов азота. В настоящее время в двигателестроении известны, исследованы и применяются различные методы снижения токсичности, среди них - установка систем нейтрализации и дожигания ОГ, фильтрование и т. д. Существенным недостатком данных методов является значительное удорожание как самих методов, так и дизелей в целом. Одним из перспективных способов улучшения экологических показателей дизелей может быть применение альтернативных топлив (низших спиртов, растительных масел, природного и промышленного газа и т. д.) [1]. Широкое внедрение нетрадиционных источников энергии на транспорте может значительно улучшить экологическую ситуацию.
Материалы и методы
В исследованиях, проведенных ранее [6; 7; 8; 9; 10], было установлено, что в процессе расшире-
ния при а > 1, когда температура газов в цилиндре уменьшается, концентрация оксидов азота не снижается до равновесного, а остаётся на уровне максимальной [2]. На большинстве рабочих режимов работы дизеля температура продуктов сгорания выше указанных значений, поэтому большая часть оксидов азота N0x приходится на долю N0 [6].
Одними из параметров, оказывающих влияние на эмиссию N0x в продуктах сгорания, являются низкотемпературные свойства применяемого топлива, а также изменение температуры и концентрации кислорода в отработавших газах при горении топливовоздушной смеси на начальной стадии такта расширения [11].
При сгорании в камере сгорания (КС) дизеля, где смесь почти всегда бедная или обедненная и значение а всегда существенно больше единицы, образование N0 определяется количеством рапсового масла (РМ) в топливе и температурой её сгорания [2]. В этих условиях наиболее интенсивно окисление азота происходит до момента достижения максимальной температуры цикла, что соответствует углу поворота коленчатого вала до ВМТ около ф = 360-380° [6]. Содержание N0 в продуктах сгорания дизеля составляет в среднем 90 % всех оксидов - N0 [6]. Дальнейшее доокисление N0 в N02 происходит уже в атмосферном воздухе и может длиться в течение десятков часов [2].
Дополнительно на механизм образования N0 оказывает влияние цетановое число применяемого топлива, которое напрямую связано с его низкотем-
[ TECHNOLOGIES, MACHINES AND EQUIPMENT [ FOR THE AGRO-INDUSTRIAL COMPLEX
пературными свойствами. С увеличением цетаново-го числа концентрация NOx в продуктах сгорания уменьшается, так как уменьшается длительность периода задержки воспламенения, вызывая меньшее испарение топлива и перемешивание в зонах бедных смесей [12].
В работах [13; 14] для расчёта количественной зависимости содержания NOx в отработавших газах дизеля использовалось выражение (1), позволяющее рассчитать количественное значение NOx в зависимости от доли испарившегося за время периода задержки воспламенения T¡ топлива
а
NOx
Рог
= exp
К ■ р ■m
T / m vi
2- Чц■
а
(1)
где рог - плотность ог дизеля, кг/м ; Кт - характеристический фактор, характеризующий свойства топлива, м3/кг; рт - плотность применяемого топлива, кг/м3; ту, - масса испарившегося топлива за период задержки воспламенения, кг; - цикловая подача топлива, кг/цикл; Т50 - среднеобъёмная температура выкипания 50 % фракций топлива с добавками РМ и присадки, К; а - коэффициент избытка воздуха.
Применение указанной зависимости для расчета выбросов ЫОх в отработавших газах дизеля дает несколько неточные результаты.
Теоретическая часть В камере сгорания дизеля оксиды азота образуются путём окисления азота воздуха и азота, содержащегося в молекулах топлива [2]. Так как при сгорании топлива с добавками РМ доля азотсодержащих молекул топлива ничтожно мала [3], то в этой связи рассматривать будем только окисление атмосферного азота.
Окисление азота происходит с повышением температуры среды в замкнутом объёме при температуре более 2000К путём химического взаимодействия с кислородом воздуха и топлива с образованием преимущественно монооксида N0 [2].
Механизм образования N0 по Зельдовичу наиболее распространён. Согласно этому механизму, наиболее важными реакциями кинетической модели образования N0 являются следующие [4]:
N2 + О ^ N0 + К; (2)
N + О2 ^ N0 + О; (3)
N + ОН ^ N0 + Н; (4)
NH + О2 ^ N0 + ОН; (5)
N2 + О2 ^ 2Ш. (6)
Поскольку большая часть реакций является эндотермической, то определяющее воздействие на эмиссию N0 в продуктах сгорания дизеля оказывает температура. Также эмиссия N0 зависит от скорости охлаждения продуктов сгорания. При температурах ниже 650...700К вне цилиндров дизеля в выпускной системе и атмосферном воздухе N0 начинает окисляться до диоксида N02 [5].
Так как содержание N0x в выражении (1) имеет размерность плотности или массы (концентрации) в единице объёма, кг/м3, то для представления её в ррт (частей на миллион) провели ряд преобразований:
NOX = exp
Кт ■ Рт ■mv i
2 Яц- 3 T50 а
V.
■Рог
mNO,
■106, (7)
M
rNO,
1ц \ 50
где Утжх - молярный объём N0x при определенной температуре и давлении ОГ дизеля, м3/моль; -молярная масса N0х, кг/моль.
Как было сказано ранее, содержание N0 в продуктах сгорания дизеля составляет в среднем 90 % всех N0х, исходя из этого, найдем:
V
mNO,
= 09. V + 0 1- V
0, 9 V mNO + 0,1 V mNO,
M.
rNO,
= 0,9-Mno + 0,1-M_
(8) (9)
где УтЫ0, Ут^02, М^0, - молярные объёмы при определенной температуре и давлении ОГ дизеля, м3/моль, молярные массы N0 и N02, кг/моль соответственно.
Плотность ОГ дизеля определим, как: О
_ тем
Рог ~ О '
(10)
где Оте№ - массовый часовой расход влажных ОГ дизеля, кг/ч; Оуе№ - объёмный часовой расход ОГ дизеля, м3/ч.
Массовый часовой расход влажных ОГ дизеля найдем по выражению:
Отем = Ов + От , (11)
где Ов - массовый часовой расход влажного воздуха дизелем, кг/ч; От - часовой расход топлива дизелем, кг/ч.
Объёмный часовой расход ОГ дизеля найдем
как:
0уеК = Оуам, + У/*'0™ , (12)
где Оуст, - объёмный часовой расход влажного воздуха дизелем, м3/ч; ^ - суммарный дополнительный объём ОГ дизеля, образующийся при сгорании 1 кг топлива, м3/кг.
ТЕХНОЛОГИИ, МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ] ДЛЯ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА ]
Объёмный часовой расход воздуха дизелем определим:
Оуак ~ Оуай + ОуН2Оак , (13)
где Gvad - объёмный часовой расход воздуха дизелем, м3/ч; GvH20aw - объёмный часовой расход дизелем воды, содержащейся во влажном воздухе, м3/ч.
Объёмный часовой расход воздуха дизелем, найдем как:
О,,
_ mad
Gvad =
Pv
(14)
где Gmad - массовый часовой расход сухого воздуха дизелем, кг/ч; ру - плотность сухого воздуха, кг/м3.
Массовый часовой расход сухого воздуха дизелем определим:
Gmad
. (15)
1 + Н а
где На - массовая абсолютная влажность воздуха, кг воды/кг сухого воздуха.
Объёмный часовой расход дизелем воды, содержащейся во влажном воздухе, найдем:
а
Gmad ' Ha ' VmH2O
vH2Oaw
M
(16)
rH2O
где УпН20 - молярный объём воды, м3/моль; Мг№0 -молярная масса воды, кг/моль.
Плотность сухого воздуха определим как:
Р • Мгеозд
Pv =
R • T
(17)
где р - абсолютное атмосферное давление, Па; Муво3д - молярная масса сухого воздуха, кг/моль; Я - универсальная газовая постоянная, Дж/(мольК); Тв -температура воздуха, К.
Массовую абсолютную влажность воздуха найдем как:
Pv
(18)
где / - абсолютная влажность воздуха, кг/м3, определяемая как:
I = Ъ •Рпп , (19)
где фв - относительная влажность воздуха, %; рнп -плотность насыщенного пара, кг/м3, равная:
Рнп • МНО
Рнп =-
R • T
(20)
где рнп - парциальное давление насыщенного пара, Па.
Молярный объём воды определим как:
1 rH2O
Ре
(21)
(22)
где рв - плотность воды, кг/м , равная:
р =_Р_
Рв 1 + рт (Тв - Т0) , где р0 - плотность воды при температуре воздуха Т0, кг/м3; рТ - температурный коэффициент объёмного расширения, К"1.
Тогда, после подстановки выражения (22) в (21) и преобразований, получим:
^шНО ■ (23)
2 Ро
С учетом преобразований выражение (18) примет вид:
<Р. • Рнп • МНО
H =
Р геозд
Преобразовав (15), получим: а = G-
^^..и st___
(24)
1+
Ps • Рнп • MHO
± геозд
(25)
Pe Рнп ^^ rH2O (1+ßr (T - T 0))
* геозд Po
Преобразовав (15) и (17), с учетом (24), полу-
чим:
GGvad
G • R • T
(26)
1 + Ve • Рнп ^ MHO
Подставим (26) и (25) в (13) и, преобразовав определим:
( Л
G = G
R • T
1
1 + р • p • M
P. • Рнп • Mh
1 + -
Р • M,,c,d J
P. • Рнп • MHO (1 + ß(T - Tn ))
(27)
Р ^ Meeo.d Po
Подставив (27) в (12) и преобразовав, найдем: ( Л
G = G
R • T
1
1 + рг Рнп • Mмо P, ■ Рнп ■ Mн
Р • M,,з,д J P. • Рп • M HO (1 +ß(T - T„ ))
Р • M
Po
■ + f • G .
J fw m
[ TECHNOLOGIES, MACHINES AND EQUIPMENT [ FOR THE AGRO-INDUSTRIAL COMPLEX
Подставим (28) и (11) в (10) и, преобразовав окончательно, определим: р =_ g+g
г^ог
G.
л
(29)
R-T
1
1 + У Рнп'MHO
| У Рнп•M HQ
Р- Мгвозд J
Рнп - Mho (1 + & (Tg - Te0))
Р- M,
гвозд
Po
+ ffw ' Gm
Суммарный дополнительный объём ОГ дизеля, образующийся при сгорании 1 кг топлива, равен:
f = V -W + V -W +
J fw V H2 W ALF ^ VC2 W BET ^
+V -W + V -W + V -W
+VS-, ' GAM + V N ' DEL + W EPS,
(30)
где УД2, Ус2, У&, Ум, У02 - дополнительные объёмы газа, образующиеся при окислении водорода, углерода, серы, азота и кислорода, содержащегося в топливе, м3/кг; Жвет, ^оам, ЖЕр$ - мас-
совые доли водорода, углерода, серы, азота и кислорода в 1 кг топлива с добавками РМ и присадки.
Характеристический фактор, характеризующий свойства топлива, определим как:
1,216^50
КТ = ■
Рт^
(31)
где pm - плотность топлива с добавкой РМ и присадки при 20 °С, кг/м3.
Плотность топлива с добавками РМ определим с учётом аддитивности её свойств:
_ л /тотн ^ . л ,готн _ .
Рт = М°ДТ ■ РДТ + М°РМ ■ РРМ +
д^ отн
гприсадка / присадка
(32)
где Рдт, Ррм, Рприсадка - плотность ДТ, РМ и присадки при 20 °С, кг/м3; , М™ , М^а - относи-
тельные молярные массы ДТ, РМ и присадки, определяемые как:
дг отн дг отн дs отн _
M гДТ ,M гРМ ,M гприсадка =
_ MгДТ , МгРМ ,Mгприсадка
= MZ
(33)
где МГДТ, МгрМ, МЩисадка - молярные массы ДТ, РМ
и присадки, соответственно, кг/моль; МгТ - молярная масса топлива с добавкой РМ и присадки, кг/моль.
Температура, соответствующая выкипанию 50 % фракций ДТ, РМ и присадки, с некоторой долей вероятности будет равна Т50 = Тср, тогда Тср определим, исходя их выражения цетанового числа для смесевых топлив:
ЦЧ = 25,88-1пtcp -39,17-(рт -0,835) +
+75,455-ln W^ - 299,4,
(34)
где ^ср - среднеобъёмная температура кипения, °С.
После преобразований получим выражение среднеобъёмной температуры кипения в градусах К:
ЦЧ+39,17 - (рт-0,835)-75,455 - lnWALF + 299,4
T = 273,15 + е
ср ?
25,88
. (35)
Цетановое число топлива с добавками РМ и присадки определим из условия аддитивности:
ЦЧ = Мотн - ЦЧ + Мотн - ЦЧ +
ЦЧ М гДТ ДТ + гРМ ЦЧРМ +
гДТ
+мо
(36)
1 гприсадка -ЦЧприсадка
где ЦЧдт, ЦЧрм, ЦЧприсадка - цетановые числа ДТ, РМ и присадки соответственно.
Между цетановыми числами и температурами помутнения имеется следующая зависимость: - для ДТ: ЦЧдт = т - 225,1;
- для РМ: ЦЧрм = T„ - 250,12 ;
- для присадки:
при ЦЧ1
л = Т -136,25
присадка п присадка '
(37)
(38)
(39)
где T
пП
Т.
1 ДТ 11РМ п присадка
ДТ, РМ и присадки соответственно, К.
температуры помутнения
После подстановки (39), (38) и (37) в (36), а затем в (35) получим выражение для определения Т5
-1™-(ТпДТ-225,1)+MГРМ-(ТпРМ-250,12)+M^адка-(Т^ -136,25)+39,17-(Рт-0,835 )-75,455-ln Wl+299,4
Г50 = 273,15 + е
(40)
ТЕХНОЛОГИИ, МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ] ДЛЯ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА ]
Подставляя выражения (40) и (32) в выражение (31), с учетом (33), определим характеристический фактор топлива.
Массу испарившегося топлива за период задержки воспламенения найдем как:
Г ~ V'35
m = г
I ■ ( m • m )
v,i \ m,г m )
1 Vi J
■ K
(41)
где - относительная степень испарения топлива; mmJ - масса топлива, поданная за период задержки воспламенения, кг; mm - масса топлива, поданная после начала горения, кг; - период после начала горения цикловой подачи топлива, град. поворота коленчатого вала; фi - период задержки воспламенения, град. поворота коленчатого вала; Кисп - безразмерный коэффициент, учитывающий влияние повышения температуры и давления среды после начала горения на скорость испарения топлива.
Относительную степень испарения топлива определим:
2
(42)
^ =
1 + z'
где z - безразмерный характеристический фактор топливного факела, равный:
z =
fL}
\ d
v кс J
exp
ReT ■ÎO
T
50
(43)
где Ь - дальнобойность топливного факела, м; ёкс -диаметр горловины камеры сгорания, м; Яе - число Рейнольдса; Тисп - характерная температура испарения топлива в камере сгорания, К.
Безразмерный коэффициент испарения топлива определим как:
f
K_ =
T
Y
vT,
v cP, 1 J
f
Л0
v ср,1 J
терм,1 ^ -0,006
(44)
терм
где Тср, Рср - средние значения температуры и давления в камере сгорания, соответственно, К, Па; Тр, РсрЛ - средние значения температуры и давления в камере сгорания в момент начала воспламенения со-
терм,^ Ятерм
- количество тепло-
ответственно, К, Па; д ты, выделившееся в момент начала воспламенения и за весь период сгорания соответственно, Дж.
Цикловую подачу топлива определим как: О
=-—, (45)
ц 120•п
где п - частота вращения коленчатого вала дизеля,
"1
мин .
Коэффициент избытка воздуха определим,
как:
G
а =
10 ■ Gm
(46)
где 10 - теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива, кг возд./кг топл, равное:
/о = 11,594 ■ WBEr + 34,783 ■ W^
4,347 ■WEPS. (47)
Подставляя все вышеопределённые выражения в (7), находили концентрацию N0x в ОГ дизеля. Результаты Основные исходные данные для выполнения расчётов представлены в таблицах 1 и 2.
Таблица 1. Данные теоретических расчетов содержания NOx в ОГ при работе дизеля при n = 1800 мини n = 1400 мин-1 и разных составах топлива с добавкой РМ и 2,0 % присадки DIFRON H372 Table 1. Data from theoretical calculations of the exhaust gas content during diesel operation at n = 1800 min-1 and n = 1400 min-1 and different fuel compositions with the addition of RSO and 2,0 % DIFRON H372 additive
№ ре, МПа, NOx, ppm
n = 1800 мин-1, n = 1800 min-1 n = 1400 мин-1, n = 1400 min-1
No. ре, МРа ДТ-100 % ДТ-80 % ДТ-45 % ДТ-100 % ДТ-80 % ДТ-45 %
DF-100 % DF-80 % DF-45 % DF-100 % DF-80 % DF-45 %
1 0,20 356 252 131 601 488 307
2 0,40 571 401 231 1083 767 501
3 0,60 940 701 401 1650 1271 981
4 0,80 1523 1261 802 1930 1582 1371
5 1,00 2630 2225 1145 2291 1826 1531
6 1,20 - - - 2490 1924 1510
Источник: получено авторами
[ TECHNOLOGIES, MACHINES AND EQUIPMENT [ FOR THE AGRO-INDUSTRIAL COMPLEX
Таблица 2. Данные теоретических расчетов содержания NOx в ОГ при работе дизеля при ре = max и разных составах топлива с добавкой РМ и 2,0 % присадки DIFRON H372 Table 2. Data of theoretical calculations of the exhaust gas content during diesel operation at pe = max and different fuel compositions with the addition of RSO and 2,0% DIFRON H372 additive
№ No. n, мин n, min-1 NOx, ppm
ДТ-100 % DF-100 % ДТ-80 % DF-80 % ДТ-45 % DF-45 %
1 1400 2490 1924 1510
2 1500 2510 1980 1403
3 1600 2530 2050 1317
4 1700 2580 2125 1215
5 1800 2630 2225 1145
6 1900 2680 2275 1245
7 2000 2730 2325 1317
Источник: получено авторами
По полученным расчётным значениям, представленным в таблицах 1 и 2, построены графики зависимости концентраций ЫОх в ОГ дизеля 4ЧН
11,0/12,5 (Д-245.582) при работе на топливах с различными добавками РМ и 2,0 % присадки DIFRON Н372 (рис. 1) [15; 16].
NOx, ppm 3000 -
2500 -
2000 -
1500 - дт-100%
-•- дт-80%+рм-20%
1000 - 500 •--- -•-дт-45%+рм-55%
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1 2 pe, МПа
Рис. 1. Графики зависимости концентраций NOx в ОГ дизеля 4ЧН 11,0/12,5 при работе на топливах с различными добавками РМ и 2,0 % присадки DIFRON H372 Fig. 1. Graphs of the dependence of concentrations in the exhaust gas of diesel 4CHN 11,0/12,5 when working on fuels with various additives RSO and 2,0 % additives DIFRON H372
Источник: получено авторами
ТЕХНОЛОГИИ, МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ] ДЛЯ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА ]
Обсуждение
Расчёты показывают, что работа дизеля на топливах с добавками РМ и присадки DIFR0N Н372 должна сопровождаться снижением концентраций N0х в ОГ во всех рассматриваемых диапазонах нагрузки и частоты вращения коленчатого вала [17; 18; 19; 20].
Заключение
1. При использовании топлив с добавками РМ от 0 до 55 % и 2,0 % присадки DIFRON Н372 и снижении нагрузки с 1,0 до 0,2 МПа имеет место
снижение концентрации N0x при п = 1800 мин-1 от 2630 до 131 ррт, а при п = 1400 мин-1 и снижении нагрузки с 1,2 до 0,2 МПа имеет место снижение концентрации N0x с 2490 до 307 ррт.
2. При использовании топлив с добавками РМ от 0 до 55 % и 2,0 % присадки DIFR0N Н372, изменении частоты вращения коленчатого вала п от 1400 до 2000 мин-1 и максимальном значении нагрузки имеет место снижение концентрации N0х в 1,5 раза.
3. Полученные теоретические данные нуждаются в экспериментальной проверке.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Бузиков Ш. В. Прогнозирование периода задержки воспламенения в дизеле при использовании смесе-вых топлив // Известия МГТУ МАМИ. 2022. Т. 16. № 3. С. 209-218. EDN: Р]^БНХ
2. Аминов Л. А. Эксплуатационные свойства дизельных топлив, определяющие эффективность их применения при низких температурах // Научные проблемы материально-технического обеспечения Вооружённых сил Российской Федерации. 2019. № 3 (13). С. 55-65. EDN: EVZPCR
3. Марков В. А., Девянин С. Н., Зыков С. А., Гайдар С. М. Биотоплива для двигателей внутреннего сгорания : монография. Москва : НИЦ «Инженер». 2016. 292 с. EDN: УМХШН
4. Марков В. А., Девянин С. Н., Маркова В. В. Методика оценки экологической безопасности силовых установок с автотракторными двигателями // Грузовик. 2013. № 9. С. 36-47. EDN: RSDRLN
5. Грищенко С. В. Улучшение низкотемпературных свойств и фильтруемости биотоплива из рапса // Научно-образовательный потенциал молодежи в решении актуальных проблем XXI века. 2019. № 13. С. 244-247. EDN: WRJGH0
6. Дидманидзе О. Н., Девянин С. Н., Парлюк Е. П. Трактор сельскохозяйственный: вчера, сегодня, завтра // Аграрная наука Евро-Северо-Востока. 2020. Т. 21. № 1. С. 74-85. EDN: IZNQFF
7. Девянин С. Н., Щукина В. Н. Системы управления в ДВС // Доклады ТСХА. 2016. С. 39-43. EDN: V0AITH
8. 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 (2015). С. 3-5. EDN: ULHBFZ
9. Галышев Ю. В., Шабанов А. Ю., Зайцев А. Б., Метелев А. А. Влияние электромагнитного воздействия на показатели топлива и характеристики автомобильных двигателей внутреннего сгорания // Научно-технические ведомости СПбПУ. 2013. № 2 (171). С. 61-67. EDN: QCQDAR
10. Лашко В. А., Привальцев И. Ю. Образование выбросов отработавших газов и управление процессов сгорания в поршневом двигателе // Электронное научное издание «Ученые заметки ТОГУ». 2014. Том 5. № 1. С. 324-337. EDN: QFQPLE
11. Малыгин Б. В., Погорлецкий Д. С. Магнитная обработка углеводородных топлив на флоте и автотранспорте // Электромеханические системы в автоматизации. 2013. Выпуск 2 (22). Часть 2. С. 239-244. EDN: TR0FFJ
12. Карташевич А. Н., Гордеенко А. В., Понталёв О. В. Определение пределов низкотемпературной про-качиваемости топлива в системе питания дизеля в условиях зимней эксплуатации // Вестник БарГУ. Серия Технические науки. 2015. Вып. 3. С. 74-79. EDN: VQTXQJ
13. Карташевич А. Н., Плотников С. А., Товстыка В. С. Применение топлив на основе рапсового масла в тракторных дизелях. Киров : Типография «Авангард», 2014. 144 с. EDN: YIGMPJ
14. Дугин Г. С. Применение биоэтанольного топлива на автотранспорте // Транспорт на альтернативном топливе. 2010. № 5. С. 48-51. EDN: MVWFXL
15. Плотников С. А., Карташевич А. Н., Смольников М. В., Черемисинов П. Н. Расширение многотоп-ливности автотракторного дизеля при использовании альтернативных топлив // Известия МГТУ «МАМИ». 2019. № 3 (41). С. 66-72. EDN: ВКНК!
Вестник НГИЭИ. 2024. № 1 (152). C. 29-40. ISSN 2227-9407 (Print) Bulletin NGIEI. 2024. № 1 (152). P. 29-40. ISSN 2227-9407 (Print) ШШШЛМЙМ^ ТГГНМП1 nriFG МЛ riifAfrC Л ЫП
TECHNOLOGIES, MACHINES AND EQUIPMENT FOR THE AGRO-INDUSTRIAL COMPLEX
16. Плотников С. А., Кантор П. Я., Козлов И. С., Втюрина М. Н. Исследование моторных свойств смесей дизельного топлива с рапсовым маслом // Труды НГТУ им. Р. Е. Алексеева. Нижний Новгород, 2018. № 2 (121). С. 169-174. EDN: XSELVZ
17. Марков В. А., Камалтдинов В. Г., Денисов А. Д., Быковская Л. И. Эмульгированные биотоплива для транспортных дизелей // Грузовик. 2019. № 12. С. 16-22. EDN: MPBFAT
18. Доржеев А. А. Низкотемпературные свойства и фильтруемость биотопливных композиций на основе рапсового масла // Проблемы современной аграрной науки. 2015. С. 62-64. EDN: THSSTX
19. Бузиков Ш. В. Исследование процесса впуска и газообмена дизеля при работе на смесевом топливе // Тракторы и сельхозмашины. 2021. Т. 88. № 5. С. 6-12. EDN: SMJJXT
20. Евдокимов И. Н., Лосев А. П., Фесан А. А. Отсутствие аддитивности свойств нефтяных смесей // Бурение и нефть. 2012. № 1. С. 27-28. EDN: OQPATZ
Дата поступления статьи в редакцию 19.10.2023; одобрена после рецензирования 22.11.2023.
принята к публикации 24.11.2023.
Информация об авторах:
С. А. Плотников - д.т.н., профессор, профессор кафедры «Технология машиностроения», Spin-код: 4899-9362;
Ш. В. Бузиков - к.т.н., доцент кафедры строительного производства, Spin-код: 3833-2048; И. С. Козлов - инженер, аспирант кафедры «Технология машиностроения»; Е. Г. Зыков - инженер, аспирант кафедры «Технология машиностроения»;
В. Л. Андреев - доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Техническое обслуживание, организация перевозок и управление на транспорте», Spin-код: 2413-8670.
Заявленный вклад авторов:
Плотников С. А. - общее руководство проектом, концепция и инициация исследования, верстка и форматирование работы.
Бузиков Ш. В. - теоретическая разработка исследований.
Козлов И. С. - проведение критического анализа материалов и формулировка выводов.
Зыков Е. Г. - проведение экспериментов, подготовка текста статьи, оформление рисунков, оформление таблиц с результатами исследования, визуализация и представление данных в тексте. Андреев В. Л. - проведение анализа и подготовка первоначальных выводов.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
REFERENCES
1. Buzikov Sh. V. Prognozirovanie perioda zaderzhki vosplameneniya v dizele pri ispol'zovanii smesevyh topliv [Forecasting the ignition delay period in diesel when using mixed fuels], Izvestiya MGTU MAMI [News of MSTU «MAMI»], 2022, Vol. 16, No. 3, pp. 209-218, EDN: PMDBHX
2. Aminov L. A. Ekspluatacionnye svojstva dizel'nyh topliv, opredelyayushchie effektivnost' ih primeneniya pri nizkih temperaturah [Operational properties of diesel fuels, determining the effectiveness of their use at low temperatures], Nauchnye problemy material'no-tekhnicheskogo obespecheniya Vooruzhyonnyh Sil Rossijskoj Federacii [Scientific problems of material and technical support of the Armed Forces of the Russian Federation], 2019, No. 3 (13), pp. 55-65, EDN: EVZPCR
3. Markov V. A., Devyanin S. N., Zykov S. A., Gajdar S. M. Biotopliva dlya dvigatelej vnutrennego sgoraniya [Biofuels for internal combustion engines], monograph, Moscow: NIC «Inzhener». 2016, 292 p, EDN: YMXIUH
4. Markov V. A., Devyanin S.N., Markova V. V. Metodika ocenki ekologicheskoj bezopasnosti silovyh ustano-vok s avtotraktornymi dvigatelyami [Methodology for assessing the environmental safety of power plants with tractor engines], Gruzovik [Truck], 2013, No. 9, pp. 36-47, EDN: RSDRLN
VWWWW^V TFYHfi ППГИИ MA ШИНЫ И ПКПРУПППй f/urVWWWWW
VWWVWVW ППЯ ЛГРППРПМЫШПРННПГП КПМППРКГА
5. Grishchenko S. V. Uluchshenie nizkotemperaturnyh svojstv i fil'truemosti biotopliva iz rapsa [Improvement of low-temperature properties and filterability of biofuels from rapeseed], Nauchno-obrazovatel'nyj potencial mo-lodezhi v reshenii aktual'nyh problem XXI veka [Scientific and educational potential of youth in solving urgent problems of the XXI century], 2019, No. 13, pp. 244-247, EDN: WRJGHO
6. Didmanidze O. N., Devyanin S. N., Parlyuk E. P. Traktor sel'skohozyajstvennyj: vchera, segodnya, zavtra [Agricultural tractor: yesterday, today, tomorrow], Agrarnaya nauka Evro-Severo-Vostoka [Agrarian science of the Euro-North-East], 2020, Vol. 21, No. 1, pp. 74-85, EDN: IZNQFF
7. Devyanin S. N., Shchukina V. N. Sistemy upravleniya v DVS [Control systems in the internal combustion engine], Doklady TSKHA [Reports of the TLC], 2016, pp. 39-43, EDN: VOAITH
8. Lihanov V. A., Lopatin O. P. Issledovanie pokazatelej processa sgoraniya v traktornom dizele pri primenenii prirodnogo gaza i recirkulyacii, metanolo- i etanolo-toplivnyh emul'sij [Investigation of combustion process parameters in tractor diesel when using natural gas and recirculation, methanol and ethanol fuel emulsions], Traktory i sel'hozmashiny [Tractors and agricultural machinery], 2015, No. 9 (2015), pp. 3-5, EDN: ULHBFZ
9. Galyshev Yu. V., Shabanov A. Yu., Zajcev A. B., Metelev A. A. Vliyanie elektromagnitnogo vozdejstviya na pokazateli topliva i harakteristiki avtomobil'nyh dvigatelej vnutrennego sgoraniya [Influence of electromagnetic influence on fuel parameters and characteristics of automobile internal combustion engines], Nauchno-tekhnicheskie ve-domosti SPbPU [Scientific and technical bulletin of SPbPU], 2013, No. 2 (171), pp. 61-67, EDN: QCQDAR
10. Lashko V. A., Prival'cev I. Yu. Obrazovanie vybrosov otrabotavshih gazov i upravlenie processov sgoraniya v porshnevom dvigatele [Formation of exhaust gas emissions and control of combustion processes in a piston engine], Elektronnoe nauchnoe izdanie «Uchenye zametki TOGU» [Electronic scientific publication «Scientific notes of TOGU»], 2014, Vol. 5, No. 1, pp. 324-337, EDN: QFQPLE
11. Malygin B. V., Pogorleckij D. S. Magnitnaya obrabotka uglevodorodnyh topliv na flote i avtotransporte [Magnetic treatment of hydrocarbon fuels in the fleet and motor transport], Elektromekhanicheskie sistemy v avtoma-tizacii [Electromechanical systems in automation], 2013, Iss. 2 (22), Part 2, pp. 239-244, EDN: TROFFJ
12. Kartashevich A. N., Gordeenko A. V., Pontalyov O. V. Opredelenie predelov nizkotemperaturnoj prokachivaemosti topliva v sisteme pitaniya dizelya v usloviyah zimnej ekspluatacii [Determination of the limits of low-temperature pumpability of fuel in the diesel power supply system in winter operation], Vestnik BarGU. Seriya Tekhnicheskie nauki [Bulletin of the BarSU. Series of Technical Sciences], 2015, Iss. 3, pp. 74-79, EDN: VQTXQJ
13. Kartashevich A. N., Plotnikov S. A., Tovstyka V. S. Primenenie topliv na osnove rapsovogo masla v traktornyh dizelyah [The use of rapeseed oil-based fuels in tractor diesels], Kirov : Publ. «Avangard», 2014, 144 p. EDN: YIGMPJ
14. Dugin G. S. Primenenie bioetanol'nogo topliva na avtotransporte [The use of bioethanol fuel on motor vehicles], Transport na al'ternativnom toplive [Transport on alternative fuels], 2010, No. 5, pp. 48-51, EDN: MVWFXL
15. Plotnikov S. A., Kartashevich A. N., Smol'nikov M. V., Cheremisinov P. N. Rasshirenie mnogotoplivnosti avtotraktornogo dizelya pri ispol'zovanii al'ternativnyh topliv [Expansion of multi-fuel capacity of tractor diesel when using alternative fuels], Izvestiya MGTU «MAMI» [News of MSTU «MAMI»], 2019, No. 3 (41), pp. 66-72, EDN: BRRKFI
16. Plotnikov S. A., Kantor P. Ya., Kozlov I. S., Vtyurina M. N. Issledovanie motornyh svojstv smesej dizel'nogo topliva s rapsovym maslom [Investigation of the motor properties of diesel fuel mixtures with rapeseed oil], Trudy NGTU im. R. E. Alekseeva [Proceedings of the R. E. Alekseev NSTU], Nizhnij Novgorod, 2018, No. 2 (121), pp. 169-174, EDN: XSELVZ
17. Markov V. A., Kamaltdinov V. G., Denisov A. D., Bykovskaya L. I. Emul'girovannye biotopliva dlya transportnyh dizelej [Emulsified biofuels for transport diesels], Gruzovik [Truck], 2019, No. 12, pp. 16-22, EDN: MPBFAT
18. Dorzheev A. A. Nizkotemperaturnye svojstva i fil'truemost' biotoplivnyh kompozicij na osnove rapsovogo masla [Low-temperature properties and filterability of biofuel compositions based on rapeseed oil], Problemy sov-remennoj agrarnoj nauki [Problems of modern agricultural science], 2015, pp. 62-64, EDN: THSSTX
Вестник НГИЭИ. 2024. № 1 (152). C. 29-40. ISSN 2227-9407 (Print) Bulletin NGIEI. 2024. № 1 (152). P. 29-40. ISSN 2227-9407 (Print)
ШШШЛМЙМ^ ТГГНМП1 nriFG МЛ ríííAfre Л ЫП ^^¡^¿ЩЩ^^^Щ^Щ^ lEL.nl\UbUUlES, lviHcmi\ES EyulriVlElM
СЛС Ш11 drsn ÍAfnírCTDf/l I глмог
run 1 na липи-шииэ1 rial ьитгьсл
19. Buzikov Sh. V. Issledovanie processa vpuska i gazoobmena dizelya pri rabote na smesevom toplive [Investigation of the process of intake and gas exchange of diesel when working on mixed fuel], Traktory i sel'hozmashiny [Tractors and agricultural machines], 2021, Vol. 88, No. 5, pp. 6-12, EDN: SMJJXT
20. Evdokimov I. N., Losev A. P., Fesan A. A. Otsutstvie additivnosti svojstv neftyanyh smesej [Lack of addi-tivity of properties of oil mixtures], Burenie i neft' [Drilling and oil], 2012, No. 1, pp. 27-28, EDN: OQPATZ
The article was submitted 19.10.2023; approved after reviewing 22.11.2023; accepted for publication 24.11.2023.
Information about the authors: S. A. Plotnikov - Dr. Sci. (Engineering), Professor, Professor of the Department of «Mechanical Engineering Technology», Spin-code: 4899-9362;
Sh. V. Buzikov - Ph. D. (Engineering), Associate Professor of the Department of Construction Production, Spin-code: 3833-2048;
I. S. Kozlov - Engineer, postgraduate student of the Department of Mechanical Engineering Technology; E. G. Zykov - Engineer, postgraduate student of the Department of Mechanical Engineering Technology; V. L. Andreev - Dr. Sci. (Engineering), Professor, Professor of the Department «Maintenance, organization of transportation and Transport Management», Spin-code: 2413-8670.
The claimed contribution of the authors: Plotnikov S. A. - managed the research project, developed the concept, initiated the research, made the layout and the formatting of the article.
Buzikov Sh. V. - theoretical development of research.
Kozlov I. S. - conducting a critical analysis of materials and formulating conclusions.
Zykov E. G. - conducting experiments, preparing the text of the article, making drawings, making tables with research results, visualization and presentation of data in the text. Andreev V. L. - analysis and preparation of the initial ideas.
The authors declare that there is no conflict of interest.
