CC BY
35
УДК 621.436.73
ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ 1Ч 6,8/5,4 НА АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ТОПЛИВАХ А. Н. КАРТАШЕВИЧ, П. Ю. МАЛЫШКИН
УО «Белорусская государственная сельскохозяйственная академия» г. Горки, Беларусь, 213407, e-mail: [email protected]
С. А. ПЛОТНИКОВ, А. С. ЗУБАКИН
Вятский государственный университет г. Киров, Россия, 610002
(Поступила в редакцию 25.10. 2016)
С каждым годом парк автотракторной, комбайновой и специальной техники растет, увеличивается единичная мощность и расширяется сфера применения машин. При этом конструкция ДВС должна подчиняться современным требованиям норм по охране окружающей среды. Эти требования касаются как самих двигателей, так и применяемых в них топ-лив. Для определения экономической целесообразности перевода электростанции на альтернативные топлива были проведены исследования с использованием следующих источников: сжиженного нефтяного газа (LPG), 90 % этилового спирта, 78 % водного раствора этилового спирта, полученного в ректификационной колонне путем возгонки из сахарного сиропа (далее биотопливо). При этом определены сравнительные мощностные температурные и экономические показатели работы двигателя. Проведена сравнительная оценка стоимости выработанного киловатт-часа электроэнергии при работе двигателя на различных топливах. В статье приведены результаты стендовых испытаний двигателя с искровым зажиганием переносной электростанции при работе на бензине и альтернативных топливах. Представлена относительная стоимость электроэнергии при работе двигателя на различных альтернативных топливах, а именно: сжиженного нефтяного газа (LPG), 90% этилового спирта, 78% водного раствора этилового спирта, полученного в ректификационной колонне путем возгонки из сахарного сиропа (биотопливо). При этом определены сравнительные мощностные температурные и экономические показатели работы двигателя. Проведена сравнительная оценка стоимости выработанного киловатт-часа электроэнергии при работе двигателя на альтернативных топливах.
Ключевые слова: альтернативное топливо, двигатель, стендовые испытания, экономические показатели.
Every year the fleet of tractor, combine and special machines is growing, their capacity and sphere of application is increasing. At the same time the internal combustion engine design must comply with the requirements of modern standards of environmental protection. These requirements apply to both the engines and the fuels used in them. To determine the economic feasibility of transition ofpower stations to alternative fuels, we conducted research using the following sources: liquefied petroleum gas (LPG), 90% ethanol, 78% aqueous solution of ethyl alcohol obtained in a distillation column by sublimation from sugar syrup (hereinafter, biofuels). We have determined comparative power, temperature and economic performance of the engine. We have made comparative assessment of the cost of generated kilowatt-hour of electricity when the engine works on different fuels. The article presents results of bench test of engine with spark-ignition of portable power station when running on gasoline and alternative fuels. We have shown relative cost of electricity during engine operation on various alternative fuels, namely: liquefied petroleum gas (LPG), 90% ethanol, 78% ethanol aqueous solution obtained in the distillation column by sublimation from sugar syrup (biofuel). We have determined comparative power, temperature and economic performance of the engine. We have made comparative assessment of the cost of generated kilowatt-hour of electricity when the engine works on different fuels.
Keywords: alternative fuel, engine, bench testing, the economic indicators.
Введение
Развитие топлив идет по следующим направлениям: совершенствование технологии переработки нефти, поиск новых добавок к топливам, а также применение альтернативных топлив [1-3, 8].
Интерес к альтернативным топливам для двигателей внутреннего сгорания (ДВС) растет с каждым годом [1, 4]. Причина тому - резкий рост цен на энергоносители в последнее десятилетие. В то же самое время на территории России и Беларуси произрастает большое количество биомассы, годное для получения не только тепловой энергии путем сжигания, но и получения генераторного газа для питания ДВС [7].
Использование газа в качестве топлива для транспортных средств не вполне оправдано в связи со сложностью систем регулирования производства газа [6]. Представляется, что наиболее оптимально использование газогенераторов для привода электростанции ДВС с искровым зажиганием.
Основная часть
Разработана экспериментальная установка и проведены стендовые испытания двигателя с искровым зажиганием при работе на бензине и различных альтернативных топливах: сжиженном нефтяном газе (LPG), генераторном газе, этиловом спирте, биотопливе.
В качестве экспериментальной установки использовалась переносная электростанция (бензогенератор) United Power DDE GG-2700 мощностью 2 кВт, укомплектованная двигателем 1Ч 6,8/5,4 [5] и дополнительно установленной системой питания газом [6].
Все опыты проводились на стандартном двигателе, предназначенном для работы на бензине. Угол опережения зажигания составлял 27о до ВМТ. Нагрузочная характеристика снималась при частоте 3000 мин-1. Развернутая блок-схема экспериментальной установки показана на рис. 1.
Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки: 1 - оптический датчик частоты вращения коленчатого вала; 2 - датчик ВМТ; 3 - карбюратор с газовым редуктором; 4 - датчик расхода воздуха; 5 - весы; 6 - датчик температуры отработавших газов; 7 - холодильник датчика избыточного давления; 8 - датчика избыточного давления (ДИД); 9 - глушитель; 10 - лямбда-зонд газоанализатора; 11 - активная нагрузка; 12 - газоанализатор; 13 - осциллоскоп; 14 - измеритель электрической мощности; 15 - персональный компьютер; 16 - асинхронный генератор; 17 - ДВС; 18 - датчик температуры масла;
19 - датчик момента зажигания
Полученные данные подтвердили теоретические предпосылки [5] о снижении развиваемой максимальной мощности двигателя на разных видах топлива (табл. 1).
Таблица 1. Значения мощности двигателя 1Ч 6,8/5,4 на различных видах топлива
Вид топлива Развиваемая двигателем мощность, кВт
Бензиин АИ-92 2,2
LPG 1,8
Этиловый спирт 90 % 1,85
Биотопливо 1,1
Генераторный газ 1,4
Примечание: Таблица составлена по данным источника [5].
Снижение эффективной мощности двигателя составило, соответственно, 18 % на спирте, 19 % на сжиженном нефтяном газе, 53 % на биотопливе, 46 % на генераторном газе. Данное обстоятельство объясняется более низкой, в сравнении с бензином, теплотворной способностью топлива.
При работе на альтернативных топливах растет температура отработавших газов (ОГ) (рис. 2). Так если при нагрузке Ре=0,27МПа значение температуры ОГ для бензина составляет 540 оС, то для спирта это значение равно 590 оС, для нефтяного газа - 625 оС, для генераторного газа - 640 оС и для биотоплива - свыше 650 оС. Возможно предположить, что это связано с более низкой скоростью сгорания топлива и его догоранием на такте выпуска. Дополнительная регулировка угла опережения зажигания позволила снизить температуру ОГ [9]. т,°с
670 650 -630 -
610 1 ^
590
570
550
530 i -
0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0 40 0,45 0,50 Ре,МПс
Рис. 2. Температура ОГ двигателя 14 6,8/5,4 в зависимости от нагрузки при п=3000 мин"1 Примечание: Рисунок составлен по данным источника [5].
На рис. 3 приведены значения удельного эффективного расхода топлива при работе двигателя по нагрузочной характеристике. Анализ полученных данных показал высокий удельный эффективный расход биотоплива и спирта, что связано с высоким содержанием в составе топлива Н2О. Можно отметить пониженные значения удельного эффективного расхода топлива при работе на сжиженном нефтяном и генераторном газе. Однако это положение не следует считать доказанным, так как двигатель 1Ч 6,8/5,4 при работе на газе не развивал значений эффективной мощности, как на бензине.
0,08 0,13 0,18 0,23 0,28 0,33 0,38 0,43 0,48 Ре, МПа Рис. 3. Значения удельного эффективного расхода топлива
в зависимости от нагрузки при п=3000 мин-1 Примечание: Рисунок составлен по данным источника [5].
Как показали проведенные исследования, использование генераторного газа наиболее перспективно для получения электроэнергии. Табл. 2 показывает относительную стоимость выработанного киловатт-часа электроэнергии при работе двигателя на различных альтернативных топливах. Видно, что при работе на спирте и биотопливе стоимость одного киловатт-часа составляет, соответственно 6,39 и 9,43 долл., в то время как при работе на бензине это значение равно 0,74 долл., (в ценах октября 2016 г.). Работа двигателя на сжиженном нефтяном газе снижает стоимость электроэнергии за счет невысокой стоимости топлива до 0,36 долл. /1 кВтч. Применение генераторного газа позволяет снизить стоимость 1 кВтч до 0,16 долл., то есть, в 3-4 раза, по сравнению с бензином.
Таблица 2. Стоимость 1 кВт*ч электроэнергии, долл.
Вид топлива кВт Бензин АИ-92 LPG Генераторный газ Этиловый спирт 90 % Биотопливо
0,4 1,25 0,59 0,32 12,34 19,25
0,8 0,74 0,36 0,16 6,39 9,43
1 0,71 0,31 0,15 6,28 8,96
1,25 0,67 0,26 6,17
1,75 0,51 0,24 4,66
2 0,35
2,4 0,33
При совместном анализе графика (рис. 3) и табл. 2 видно, что стоимость 1 кВтч на альтернативных топливах становится конкурентоспособной на фоне товарного топлива.
Заключение
1. При работе двигателя 1Ч 6,8/5,4 на альтернативных топливах имеет место снижение эффективной мощности на 18-53 %. Для повышения мощности требуются дополнительные конструктивные мероприятия.
2. Работа двигателя на альтернативных топливах сопровождается незначительным ростом температуры ОГ вследствие низкой скорости сгорания. Это позволяет форсировать двигатель по среднему эффективному давлению.
3. Экономически целесообразно использовать биомассу для производства электроэнергии. Это особенно актуально при отсутствии центрального обеспечения электроэнергией.
4. Применение генераторного газа позволяет снизить стоимость 1 кВтч вырабатываемой электроэнергии в 3-4 раза по сравнению с бензином.
ЛИТЕРАТУРА
1. Карташевич, А. Н. Возобновляемые источники энергии / А. Н. Карташевич, В. С. Товстыка. - Горки: Белорусская Государственная сельскохозяйственная академия, 2007. - 264 ^
2. Карташевич, А. Н. Применение этанолсодержащих топлив в дизеле (часть 1) / А. Н. Карташевич, С. А. Плотников, Г. Н. Гурков. - Киров, 2011. -115 с.
3. Карташевич, А. Н. Альтернативные виды топлива для двигателей: монография / А. Н. Карташевич, В. С. Товстыка, П. Ю. Малышкин [и др.]. - Горки, БГСХА, 2013. - 376 с.
4. Плотников, С. А. Улучшение эксплуатационных показателей дизелей путем создания новых альтернативных топлив и совершенствования топливоподающей аппаратуры: автореф. дисс. докт. техн. Наук / С. А. Плотников. - Н-Новгород: НГТУ, 2011. - 40 с.
5. Плотников, С. А. Исследование электростанции, работающей на альтернативном топливе. Улучшение эксплуатационных показателей сельскохозяйственной энергетики: мат. IX межд. науч.-практ. конф. «Наука-Технология-Ресурсосбережение» / С. А. Плотников, А. С. Зубакин, А. Н. Коротков. - Киров, 2016. - С. 220-224.
6. Система питания ДВС генераторным газом: Заявка № 2015139021 от 04.09. 2015. / С. А. Плотников, В. Н. Острецов, Ф. А. Киприянов, А. В. Палицын, А. С. Зубакин, А. Н. Коротков.
7. Токарев, Г. Г. Газогенераторные автомобили / Г. Г. Токарев. - М.: Машгиз, 1955. - 207 с.
8. Альтернативные топлива для автотракторной техники / А. Н. Карташевич, А. В. Гордеенко, В. С. Товстыка, П. Ю. Малышкин. - Горки: БГСХА, 2013. - 60 с.
9. Газовое оборудование для автотракторной техники: курс лекций / А. Н. Карташевич, П. Ю. Малышкин, А. А. Сысоев. - Горки: БГСХА, 2012. - 86 с.
