CC BY
13Исследование влияния метаноло-топливной эмульсии в дизеле 4Ч 11,0/12,5 и природного газа в дизеле 4ЧН 11,0/12,5 на показатели процесса сгорания, объемное содержание и массовую концентрацию оксидов азота в зависимости от нагрузки
В.А. Лиханов, профессор, заведующий кафедрой тепловых двигателей, автомобилей и тракторов ФГБОУ ВО Вятская ГСХА, д.т.н.,
А.В. Гребнев, доцент кафедры тепловых двигателей, автомобилей и тракторов ФГБОУ ВО Вятская ГСХА, к.т.н.,
М.Л. Скрябин, доцент кафедры тепловых двигателей, автомобилей и тракторов ФГБОУ ВО Вятская ГСХА, к.т.н.,
А.Е. Торопов, доцент кафедры тепловых двигателей, автомобилей и тракторов ФГБОУ ВО Вятская ГСХА, к.т.н.
В статье рассмотрена возможность применения альтернативных видов топлива (метаноло-топливная эмульсия и природный газ) для автотракторных дизелей, исследованы показатели процесса сгорания и экологические показатели на различных нагрузочных режимах в сравнении с использованием дизельного топлива.
__Ключевые слова:
метаноло-топливная эмульсия, природный газ, показатели процесса сгорания, оксиды азота.
озможное применение метано-ло-топливных эмульсий (МТЭ) в качестве топлива для автомобильных и тракторных дизелей актуально в первую очередь тем, что в условиях дефицита дизельного топлива (ДТ) метанол может быть получен из любого газообразного топлива, а также из пищевых и сельскохозяйственных отходов. Создание топлива из органических компонентов позволит отрасли растениеводства
стать производителем экологически чистых моторных топлив из возобновляемых энергетических источников.
В научно-исследовательской лаборатории Вятской ГСХА на кафедре ДВС были проведены исследования влияния применения метаноло-топливной эмульсии на эффективные и экологические показатели дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на различных скоростных и нагрузочных режимах.
10 лет
журналу
23
а б Рис. 1. Влияние применения МТЭ на показатели процесса сгорания в цилиндре, объемного содержания гЫОх опь11, массовой концентрации сЫОх опыт оксидов азота в отработавших газах дизеля 4Ч 11,0/12,5 на оптимальных углах в зависимости от изменения нагрузки: а - п = 2200 мин-1; б - п = 1700 мин-1;--ДТ;------МТЭ
На рис. 1а представлено влияние применения МТЭ на показатели процесса сгорания в цилиндре, показатели объемного содержания гКОх опыт, массовой концентрации сКОх опыт оксидов азота в отработавших газах (ОГ) дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения нагрузки п = 2200 мин1 [1].
Из графиков видно, что при работе на ДТ с увеличением нагрузки растет максимальное давление сгорания рг тах от 6,64 МПа при ре=0,13 МПа до 8,72 МПа при ре=0,70 МПа. Увеличение максимального давления сгорания Рг тах составляет 2,08 МПа, или 23,8 %. Максимальная осредненная температура Ттах в цилиндре дизеля возрастает с 1760 К при ре=0,13 МПа до 2270 К при ре=0,70 МПа. Рост максимальной осредненной температуры Ттах составляет 510 К, или 22,5 %. Объемное содержание гКОх опыт и массовая концентрация сКОхопыт оксидов азота МОх при работе дизеля на ДТ с возрастанием нагрузки
увеличиваются соответственно с 441 ррт и 0,63 г/м3 на минимальной нагрузке при ре=0,13 МПа до 636 ррт и 0,915 г/м3 при ре=0,70 МПа [1].
При работе на МТЭ с увеличением нагрузки максимальное давление сгорания рг тах возрастает с 5,61 МПа при ре = 0,38 МПа до 8,77 МПа при ре = 0,70 МПа. Увеличение максимального давления сгорания рг тах составляет 3,16 МПа, или 36,0 %. Максимальная ос-редненная температура Ттах при работе на МТЭ увеличивается от 2120 К при ре = 0,38 МПа до 2600 К при ре = 0,70 МПа. Рост максимальной осредненной температуры Ттах при изменении нагрузки составляет 480 К, или 18,5 %. Объемное содержание гКОх опыт и массовая концентрация сКОх опыт оксидов азота МОх при работе дизеля на МТЭ с возрастанием нагрузки увеличиваются соответственно с 315 ррт и 0,45 г/м3 на минимальной нагрузке при ре = 0,13 МПа до 774 ррт и 1,11 г/м3 при ре = 0,70 МПа.
24
При переходе с ДТ на МТЭ при номинальной частоте вращения п = 2200 мин1 и ре = 0,82 МПа происходит увеличение максимальной осредненной температуры Ттах с 2220 до 2580 К, то есть максимальная осредненная температура увеличивается на 16,2 %. Максимальное давления сгорания рг тах увеличивается с 8,51 до 8,54 МПа, или на 0,4 %.
На рис. 1б представлено влияние применения МТЭ на показатели процесса сгорания в цилиндре, объемного содержания гКОх опыт, массовой концентрации сКОх опыт оксидов азота в отработавших газах дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения нагрузки п = 1700 мин1 [1].
Из графиков видно, что при работе на ДТ при увеличении нагрузки растет и максимальное давление сгорания рг тах от 6,45 МПа при ре = 0,13 МПа до 9,29 МПа при ре = 0,82 МПа. Увеличение максимального давления сгорания рх тах составляет 2,84 МПа, или 30,5 %. Максимальная осредненная температура Ттах в цилиндре возрастает с 1620 К при ре = 0,13 МПа до 2400 К при ре = 0,82 МПа. Рост максимальной температуры составляет 780 К, или 32,5 %. Объемное содержание гЖх опыт и массовая концентрация сКОх опыт оксидов азота МОх при работе дизеля на ДТ с возрастанием нагрузки увеличиваются соответственно с 465 ррт и 0,67 г/м3 на минимальной нагрузке при ре = 0,13 МПа до 671 ррт и 0,96 г/м3 при ре = 0,70 МПа.
При работе дизеля 4Ч 11,0/12,5 на МТЭ показатели процесса сгорания изменяются во всем диапазоне изменения нагрузки. Из графиков видно, что при увеличении нагрузки максимальное давление сгорания рг тах возрастает с 5,2 МПа при ре = 0,26 МПа до 9,72 МПа при ре = 0,82 МПа. Увеличение максимального давления сгорания рг тах составляет 4,52 МПа, или 46,6 %. Максимальная осредненная температура Ттах при работе на МТЭ увеличивается от 1690 К
при ре = 0,26 МПа до 2590 К при ре = 0,82 МПа. Рост максимальной осредненной температуры Ттах составляет 900 К, или 53,2 %. Объемное содержание
ГЖх опыт и массовая концентрация СКох опыт
оксидов азота МОх при работе дизеля на МТЭ с возрастанием нагрузки увеличиваются соответственно с 441 ррт и 0,63 г/м3 на минимальной нагрузке при ре = 0,13 МПа до 839 ррт и 1,21 г/м3 при ре = 0,70 МПа [1].
При переходе с ДТ на МТЭ при частоте вращения п = 1700 мин1 и ре = 0,82 МПа происходит увеличение максимальной осредненной температуры Ттах с 2400 до 2590 К, то есть максимальная осредненная температура увеличивается на 7,9 %. Максимальное давления сгорания рг тах увеличивается с 9,29 до 9,72 МПа, что составляет 4,3 %. Таким образом, увеличение объемного содержания гКОх опыт и массовой концентрации сКОх опыт оксидов азота при работе дизеля на МТЭ на оптимальных установочных УОВТ при п = 1700 мин1 и ре = 0,82 МПа составляет соответственно 168 ррт и 0,24 г/м3, или 25,0 %.
На основании полученных данных можно сделать вывод, что применение МТЭ не позволяет обеспечить снижение объемного содержания гКОх опыт и массовой концентрации сКОх опыт оксидов азота во всем диапазоне изменения нагрузки [1].
На рис. 2 представлено объемное содержание гКОх и массовая концентрация сКОх оксидов азота, а также показатели процесса сгорания в дизеле с турбонаддувом и ПОНВ 4ЧН 11,0/12,5 в зависимости от нагрузки для номинальной частоты вращения п = 2400 мин1 и частоты вращения при максимальном крутящем моменте п = 1700 мин1 при работе на дизельном топливе или природном газе на оптимальных установочных УОВТ. По показателям объемного содержания гКОх, массовой концентрации сКОх и процесса сгорания, а также с учетом эффективных показателей
10 лет
журналу
25
а б
Рис. 2. Влияние применения природного газа на объемное содержание и массовую концентрацию оксидов азота и показатели процесса сгорания дизеля с турбонаддувом и ПОНВ 4ЧН 11,0/12,5 в зависимости от нагрузки на оптимальных установочных УОВТ:
а - п = 2400 мин-1; ретах = 0,947 МПа; б - п = 1700 мин-1; ретах = 1,036 МПа; --дизельный процесс;----- газодизельный процесс
необходимо принять оптимальный установочный УОВТ 0впр = 7° для газодизельного процесса и 0впр = 9° для дизельного процесса [2].
Сравнивая оптимальные установочные УОВТ, следует отметить, что при п=2400 мин1 на газодизельном режиме температура увеличивается от 1700 К при ре=0,126 МПа до 2350 К при ре=0,947 МПа (на 650 К, или 38 %), на дизельном - с 1250 К при ре=0,126 МПа до 2020 К при ре=0,947 МПа (на 770 К, или 61 %). Таким образом, значение максимальной осредненной температуры при газодизельном цикле на оптимальных установочных УОВТ увеличивается на 330 К, или на 16 %. Значение максимального давления сгорания рг для газодизельного цикла возрастает с 9 МПа при ре=0,126 МПа до 14,6 МПа при ре=0,947 МПа (на 5,6 МПа, или на
62 %), для дизельного цикла рг возрастает с 9,5 МПа при ре=0,126 МПа до 13,8 МПа при ре=0,947 ММ Па (на 4,3 МПа или на 45 %).
При работе на газодизельном режиме максимальное давление цикла увеличивается на 0,8 МПа, или на 6 %. Коэффициент избытка воздуха а при работе по газодизельному циклу с возрастанием нагрузки уменьшается с 3,05 при ре=0,126 МПа до 1,7 при ре=0,947 МПа (на 1,35, или на 42 %) [2].
На дизельном цикле а уменьшается с 5,3 при ре=0,126 МПа до 2,0 при ре=0,947 МПа (на 3,3, или на 62 %). Таким образом, уменьшение коэффициента избытка воздуха а при работе по газодизельному циклу составляет 15 %. Объемное содержание гКОх и массовая концентрация сКОх оксидов азота при работе по газодизельному циклу с возрастанием нагрузки
26
увеличиваются соответственно с 365 ррт и 0,52 г/м3 на минимальной нагрузке при ре=0,126 МПа до 499 ррт и 0,72 г/м3 при р е=0,947 МПа [2].
По дизельному циклу с возрастанием нагрузки объемное содержание гКОх и массовая концентрация сКОх оксидов азота увеличивается соответственно с 480 ррт и 0,69 г/м3 на минимальной нагрузке при р =0,126 МПа до 650 ррт и 0,75 г/м3 при р е=0,947 МПа.
Таким образом, снижение объемного содержания гКОх и массовой концентрации сКОх оксидов азота при работе по газодизельному циклу на оптимальных установочных УОВТ и п=2400 мин1 составляет 151 ррт, или 23 %.
При частоте вращения максимального крутящего момента п=1700 мин1 на газодизельном процессе температура увеличивается от 1700 К при р е=0,126 МПа до 2240 К при р е=1,036 МПа (на 540 К, или 31 %), на дизельном -с 1400 К при ре=0,126 МПа до 1840 К при ре=1,036 МПа (на 440 К, или 31 %). Таким образом, значение максимальной осредненной температуры при газодизельном цикле на оптимальных установочных УОВТ увеличивается на 400 К, или на 22 %. Значение максимального давления сгорания рг для газодизельного цикла возрастает с 8,2 МПа при ре=0,126 МПа до 14,2 МПа при ре=1,036 МПа (на 6 МПа, или на 73 %), для дизельного цикла рг возрастает с 9,4 МПа при ре=0,126 МПа до 13,5 МПа при ре =1,036 МПа (на 4,1 МПа, или на 43 %).
При работе на газодизельном процессе максимальное давление цикла увеличивается на 0,7 МПа, или на 5 %. Коэффициент избытка воздуха а при работе по газодизельному циклу с возрастанием нагрузки уменьшается с 3,7 при ре=0,126 МПа до 1,5 при р е=1,036 МПа (на 2,2, или на 59 %). На дизельном цикле а уменьшается с 5,2 при ре=0,126 МПа до 2,0 при ре =1,036 МПа (на 3,2, или на 61 %). Таким образом,
уменьшение коэффициента избытка воздуха а при работе по газодизельному циклу составляет 25 %. Объемное содержание гКОх и массовая концентрация сКОх оксидов азота при работе по газодизельному циклу с возрастанием нагрузки увеличиваются соответственно с 270 ррт и 0,39 г/м3 на минимальной нагрузке при ре=0,126 МПа до 528 ррт и 0,76 г/м3 при р е=1,036 МПа. По дизельному циклу с возрастанием нагрузки объемное содержание гКОх и массовая концентрация сКОх оксидов азота увеличиваются соответственно с 310 ррт и 0,45 г/м3 на минимальной нагрузке при ре=0,126 МПа до 700 ррт и 1,01 г/м3 при ре =1,036 МПа. Таким образом, снижение объемного содержания гКОх и массовой концентрации сКОх при работе по газодизельному циклу на оптимальных установочных УОВТ и п=2400 мин1 составляет 172 ррт, или 24 % [2].
Снижение объемного содержания гКОх и массовой концентрации сКОх оксидов азота при работе дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ на всех режимах для газодизельного цикла при возрастающей температуре газодизельного процесса связано с температурной неравномерностью в зоне продуктов сгорания, а также с тем, что время нахождения продуктов сгорания в зоне максимальных температур снижается вследствие более интенсивного процесса сгорания. При совместном использовании турбонаддува и промежуточного охлаждения наддувочного воздуха увеличивается скорость охлаждения продуктов сгорания, так как топливовоздушная смесь, поступающая в цилиндр, имеет более низкую температуру, а это значительно снижает выход оксидов азота.
Для оптимальных установочных УОВТ ©впр=9° характерна стабильная устойчивая работа. Жесткость рабочего процесса при газодизельном цикле (ф/^ф)тах превышает 1 МПа/град на всем диапазоне нагрузок.
Увеличение показателей процесса сгорания при работе по газодизельному режиму объясняется в первую очередь тем, что при работе на природном газе увеличивается угол, соответствующий периоду задержки воспламенения Ф, гд, то есть процесс сгорания в цилиндре дизеля происходит в меньший период времени и более интенсивно, что, в свою очередь, препятствует окислению азота метановоздушной смесью в условиях недостатка кислорода, замедляет процесс образования оксидов азота в цилиндре и, соответственно, снижает их содержание в отработавших газах дизеля.
Снижение объемного содержания оксидов азота для газодизельного цикла при возрастающей температуре газодизельного процесса связано с температурной неравномерностью в зоне сгорания, а также с тем, что время нахождения продуктов сгорания в зоне максимальных температур снижается вследствие более интенсивного процесса сгорания. При совместном использовании турбонадду-ва и промежуточного охлаждения наддувочного воздуха увеличивается скорость охлаждения продуктов сгорания, так как топливовоздушная смесь, поступающая в цилиндр, имеет более низкую температуру, а это значительно снижает выход оксидов азота.
На основании анализа полученных данных можно сделать выводы, что наилучшие результаты по объемному содержанию гКОх и массовой концентрации сКОх оксидов азота в отработавших газах, удельному расходу топлива ge, жесткости процесса сгорания (^р/^ф)тах дизеля с турбонаддувом и ПОНВ 4ЧН 11,0/12,5 получаются на номинальной частоте вращения п=2400 мин1 с ре тах=0,947 МПа и частоте вращения максимального крутящего момента п=1700 мин1 с ре тах=1,036 МПа при одновременной подаче запальной порции дизельного топлива и природного газа на установочном УОВТ 0впр=7° для газодизельного процесса и на установочном УОВТ ©впр=9° для дизельного процесса.
Рассматривая комплексные параметры показателей процесса сгорания и концентрации оксидов азота в цилиндре исследуемых дизелей при работе на альтернативных видах топлива, можно отметить аналогичные графические зависимости температурных характеристик при работе на оптимальных установочных углах опережения впрыскивания топлива. Применение МТЭ не позволяет добиться снижения объемного содержания и массовой концентрации оксидов азота в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5.
10 лет
журналу
27
Литература
1. Лиханов В. А., Торопов А.Е. Улучшение экологических показателей дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на метаноло-топливной эмульсии путем снижения дымно-сти отработавших газов: монография. - Киров: Вятская ГСХА, 2010. - 142 с.
2. Лиханов В.А., Лопатин О.П., Скрябин М.Л. Исследование процессов образования и разложения оксидов азота в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха при работе на природном газе: монография - Киров: Вятская ГСХА, 2008. - 146 с.
