CC BY
64
УДК 631.171
Модернизация системы питания тракторного дизеля 4ЧН 11,0/12,5 для работы на этаноло-топливной эмульсии
Плотников Сергей Александрович, доктор технических наук, профессор кафедры «Технология машиностроения» e-mail: PlotnikovSA@bk.ru
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вятский государственный университет»
Смольников Михаил Владимирович, аспирант кафедры «Технология машиностроения»
e-mail: mihail.mai@mail.ru
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вятский государственный университет»
Карташевич Анатолий Николаевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Тракторы и автомобили» e-mail: Kartashevich@yandex.ru
Учреждение образования «Белорусская государственная сельскохозяйственная академия»
Бирюков Александр Леонидович, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Энергетические средства и технический сервис» e-mail: biryukov_alex@mail.ru
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»
Аннотация. В статье представлена система питания для приготовления и подачи этаноло-топливной эмульсии в цилиндры тракторного дизеля 4ЧН 11,0/12,5 (Д-245.555). Рассмотрены результаты испытаний топливной аппаратуры на стенде КИ-22210-02М-15. Проведена оценка возможности улучшения свойств смесевых топлив и их применения в тракторном дизеле.
Ключевые слова: тракторный дизель, этаноло-топливная эмульсия, топливный насос высокого давления, скоростная характеристика, система питания, стабильность.
В последние годы намечается устойчивая тенденция снижения потребления невозобновляемых моторных топлив нефтегазового происхождения путем частичной или полной их замены. В качестве добавок или заменителей к моторному топливу особое место находят спирты (этанол, метанол) и их эфиры [1-4].
Применение этанола в виде альтернативного топлива в дизеле накладывает некоторые ограничения. Обязательным условием организации рабочего процесса является стабильность эмульсии [2,5-7]. При этом параметры работы топливного насоса высокого давления (ТНВД) и всей системы в целом должны оставаться неизменными или находиться в пределах допустимых регулировок [8]. Кроме того, эмульсия не должна вызывать отказов в работе системы питания дизеля.
На основе проведенных ранее исследований [9] был произведен выбор присадок, обеспечивающих достаточную стабильность этаноло-топливной эмульсии (ЭТЭ) (рис. 1) и разработан оригинальный состав топливной эмульсии.
Рисунок 1. Опытные образцы топлив
Важнейшее условие организации рабочего процесса дизеля, работающего с использованием альтернативного топлива - модернизация системы питания. Известно множество схем систем питания дизелей, работающих на альтернативных топливах. Однако направление и глубина модернизации обычно обусловливаются измененными, в сравнении с дизельным топливом (ДТ), физико-химическими свойствами альтернативного топлива [10].
Для подачи ЭТЭ в цилиндры тракторного дизеля 4ЧН 11,0/12,5 в ВятГУ были разработаны и апробированы два варианта способов непосредственного приготовления эмульсии в топливной системе дизеля.
Первый вариант схемы системы питания дизеля (рис. 2а) предусматривает получение эмульсии в баке для дополнительного топлива 9, при этом смеситель 8 устанавливается непосредственно в баке с возможностью управления из кабины оператора. Пуск и прогрев дизеля осуществляется на чистом ДТ из штатного то-
пливного бака 3 через штатную линию топливоподачи, включающую фильтр грубой очистки 2. Далее отсечной кран ДТ 10 закрывается, а отсечной кран эмульсии 5 - открывается. Из бака 9 готовая эмульсия проходит по дополнительной линии низкого давления к топливоподкачивающему насосу 6, а далее - через штатный фильтр тонкой очистки топлива 7 в ТНВД 1 и форсунки 4.
Второй вариант системы топливоподачи (рис. 2б) предусматривает, что дизельное топливо и этанол подаются из разных баков 3 и 9 через отсечные краны 5 и 10 соответственно в смеситель 8, установленный на входе в топливоподкачиваю-щий насос 6. Основное топливо при этом поступает из бака 3 в смеситель 8, проходя через фильтр грубой очистки 2 и линию низкого давления. Сюда же из второго бака 9 поступает дополнительное топливо. Готовая топливная смесь поступает в топливоподкачивающий насос 6 и далее через фильтр тонкой очистки 7 в ТНВД 1. Такие способы приготовления топливных эмульсий непосредственно перед подачей их в цилиндр двигателя обладают рядом преимуществ перед другими. Среди них, прежде всего, возможность оперативного приготовления эмульсии требуемого относительно режима работы двигателя состава, менее жесткие требования к стабильности приготовляемой эмульсии, снижение нагарообразования в камере сгорания дизеля вследствие уменьшения количества применяемого эмульгатора [2, 3, 8, 11-13].
Необходимое количество выбранного эмульгатора (5%) при проведении экспериментальных исследований растворялось в дизельном топливе, а необходимое определенное количество дистиллированной воды (12%) - в этаноле.
Расходы ДТ и ЭТЭ контролировались электронными расходомерами и могли изменяться в широком диапазоне.
Исследования работы разработанных вариантов конструкции системы питания дизеля показали, что предлагаемая система топливоподачи обеспечивает работоспособность двигателя на различных составах ЭТЭ. Приготовление ЭТЭ при этом может осуществляться либо заблаговременно, либо непосредственно в системе питания дизеля перед ее применением.
С целью определения влияния топливной эмульсии на изменение параметров топливоподачи на следующем этапе исследований были проведены сравнительные испытания работы топливной аппаратуры дизеля и определение ее оптимальных регулировок.
Испытания топливной аппаратуры выполнялись на стенде КИ-22210-02М-15 (рис. 3). Использовались серийные форсунки 455.1112010-50, устанавливаемые на дизеле 4ЧН 11,0/12,5 (Д-245^5), и топливный насос типа 4УТНМ. Параметры процесса топливоподачи определялись и контролировались для всех режимов работы, однако оптимизировались они, прежде всего, для номинального режима, так как на других режимах их удается оптимизировать лишь частично [8].
На рисунке 4 приведена построенная по результатам испытаний внешняя скоростная характеристика топливного насоса при включенном регуляторе.
На пусковой частоте вращения вала насоса грузики регулятора сведены и не оказывают воздействия на величину подачи, рейка устанавливается в положении максимальной подачи.
Рисунок 2. Схема системы питания дизеля: а - вариант с приготовлением эмульсии в дополнительном баке; б - вариант с приготовлением эмульсии в линии низкого давления: 1 - ТНВД; 2 - фильтр грубой очистки топлива; 3 - бак для основного топлива; 4 - форсунки; 5 - отсечной кран для дополнительного топлива; 6 - подкачивающий насос; 7 - фильтр тонкой очистки; 8 - смеситель; 9 - бак для дополнительного топлива;
10 - отсечной кран для основного топлива.
Рисунок 3. Общий вид стенда КИ-22210-02М-15
Рц, мл/ц 0,18
0,16
0,14
0,12
0,10
0,08
0,06
0,04
0,02
100
д /
\\ \\ )
- ------- —
\\ \\
\\ V
__ —- • - —•"" Рц ~___
к \
1 \ 1 \
1' 1
1
и
11 и
300
500
700
е.град
20 10 0
900
- дизельное топливо
- эмульсия дизельного топлива с 50% этанола
1100 п, мин-
Рисунок 4. Внешняя скоростная характеристика ТНВД
После пуска дизеля при увеличении частоты вращения коленчатого вала центробежная сила грузиков увеличивается, и подача топлива уменьшается, устанав-
ливая режим минимальной рабочей частоты холостого хода - 300 мин-1. Как видно из рисунка 4, цикловая подача ^ц) в этом режиме при работе насоса на ЭТЭ снижается. Особенно важно то обстоятельство, что наблюдается снижение qц на 0,008 мл/ц при работе насоса на ЭТЭ в сравнении с работой на ДТ.
При уменьшении частоты вращения от номинальной, что соответствует режиму перегрузки дизеля, центробежная сила грузиков также снижается. Однако основной рычаг регулятора не может переместиться в сторону увеличения подачи, хотя усилие пружины не изменилось, так как он упирается в головку винта номинальной подачи. В этом случае в работу вступает корректор. При дальнейшем уменьшении частоты вращения подача топлива будет уменьшаться, так как увеличатся гидравлические потери за увеличивающееся время впрыскивания. Из данных рисунка видно, что цикловая подача в корректорном режиме при работе насоса на ЭТЭ также ниже, чем при работе на ДТ. Это снижение составляет 0,00783 мл/ц.
При увеличении частоты вращения свыше номинальной центробежная сила вращающихся грузиков будет постепенно превышать усилие растянутой пружины, рейка насоса начнет двигаться в сторону выключения подачи. На определенной частоте вращения подача полностью прекратится - будет достигнута максимальная частота вращения по техническим условиям (ТУ). На рисунке показано, что и в этом (регуляторном) режиме qц при работе насоса на ЭТЭ меньше, чем qц при работе на ДТ на 0,0027 мл/ц.
Неравномерность подачи топлива по секциям насоса при проведении испытаний соответствовала техническим условиям и составляла 3% на номинальном режиме, 12% в режиме холостого хода и 6% для других частот вращения.
Длительность впрыскивания дизельного топлива и этаноло-топливной эмульсии, определяемая электронным стробоскопическим устройством стенда, имела незначительные отличия на всех скоростных режимах работы насоса и лежала в пределах от 11,5 до 13,5 градусов поворота кулачкового вала.
Выводы:
1. Стабильность ЭТЭ, достаточная для ее заблаговременного приготовления с целью применения в качестве топлива для дизеля, может быть обеспечена правильным подбором присадок и установкой смесителя в системе питания дизеля.
2. Разработанная конструкция системы питания дизеля обеспечивает его работоспособность на различных составах ЭТЭ. Приготовление ЭТЭ при этом может осуществляться либо заблаговременно, либо непосредственно в системе питания дизеля перед ее применением.
3. Работа топливной аппаратуры дизеля на ЭТЭ сопровождается снижением цикловой подачи на всех скоростных режимах. Данное обстоятельство объясняется увеличением гидравлических потерь в прецизионных парах насоса вследствие снижения кинематической вязкости смесевого топлива и может быть устранено увеличением активного хода плунжера.
Список литературных источников:
1. Карташевич, А.Н. Применение этанолсодержащих топлив в дизеле. Часть I./ А.Н. Карташевич, С.А. Плотников, Г.Н. Гурков. - Киров: Типография «Авангард», 2011. - 116 с.: ил.
2. Бирюков, А.Л. Улучшение эксплуатационных и экологических показателей бензиновых двигателей путём применения топливно-водных смесей: дис. ... канд. техн. наук / А.Л. Бирюков. - СПб., 2011. - 144 с.
3. Работа дизелей на нетрадиционных топливах / В.А. Марков, А.И. Гайворон-ский, Л.В. Грехов, Н.А. Иващенко. - М.: Легион-Автодата, 2008. - 464 с.
4. Бирюков, А.Л. Методика и некоторые результаты исследований показателей работы бензинового двигателя с распределенным впрыском при использовании в качестве топлива бензо-водяной смеси / А.Л. Бирюков, В.А. Коптяев // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей внутреннего сгорания : Материалы II Всероссийской науч.-практ. конф. «Наука - Технология - Ресурсосбережение»: сб. науч. тр. - СПб.-Киров: Российская академия транспорта - Вятская ГСХА, 2008. -Вып. 5. - С. 43-46.
5. Плотников, С.А. Современные проблемы применения спиртов в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания // Материалы Всеросс. науч.-практ. конф. - Киров, 2007. - С. 42-46.
6. Картошкин, А.П. Результаты лабораторных исследований теплоты сгорания оксигенантных топлив / А.П. Картошкин, А.В. Мокин // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2008. - № 10. - С. 147-150.
7. Плотников, С.А.Улучшение эффективных и экологических характеристик тракторного дизеля применением спиртосодержащих топлив / С.А. Плотников, С.Н. Гущин // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве: тр. 4-й Межд. науч.-техн. конф.: в 4 ч. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2004. - С. 337-341.
8. Белявцев, А.В. Топливная аппаратура автотракторных дизелей / А.В. Беляв-цев, А.С. Процеров. - М.: Росагропромиздат, 1988. - 224 с.
9. Плотников, С.А. Создание новых видов альтернативных топлив на основе этанола. Общество, наука, инновации. (НПК-2016) [Электронный ресурс] / С.А. Плотников, М.В. Смольников // Всерос. ежегод. науч.-практ. конф.: сб. статей, 1829 апреля 2016 г. / Вят. гос. ун-т. - Киров, 2016. - С. 1358-1362.
10. Плотников, С.А. Исследование показателей работы дизеля 2Ч 10,5/12,0 на спиртосодержащих топливах с присадками целенаправленного действия / С.А. Плотников, С.Н. Гущин, С.Р. Лебедев // Двигателестроение. - 2003. - № 1. -С. 36-37.
11. Патент №2382229 Российская Федерация, МПК F02M25/022 (2006.01). Способ и устройство для получения и подачи топливно-водной смеси в ДВС / Бирюков А.Л., Коптяев В.А., Ножнин С.Р.; заявл. 13.11.07; опубл. 20.02.10, Бюл. №5.
12. Патент №2565383 Российская Федерация, МКИ7 F02D 1/04, 1/10. Система регулирования многотопливного дизеля / Плотников С.А., Смольников М.В.; заявл. 28.05.2014; опубл. 20.10.2015 Бюл. № 29.
13. Патент №2079351 Российская Федерация, МКИ6 В 01 F 5/00. Смеситель / Плотников С.А., Мокрушин С.П.; заявл. 24.05.1994.
References:
1. Kartashevich A.N., Plotnikov S.A., Gurkov G.N. Primenenie etanolsoderzhashchikh topliv v dizele. Chast' I [Application of ethanol-containing fuels in a diesel engine. Part I]. Kirov, Avangard Publ., 2011. 116 p.
2. Biryukov A.L. Uluchshenie ekspluatatsionnykh i ekologicheskikh pokazatelei benzinovykh dvigatelei putëm primeneniya toplivno-vodnykh smesei. Kand, Diss. [ Improving the operational and environmental performance of gasoline engines by using fuel-water mixtures. Cand. Diss.] SPb, 2011. 144 p.
3. Markov V.A., Gaívoronskií A.I., Grekhov L.V., Ivashchenko N.A. Rabota dizeleí
na netraditsionnykh toplivakh [The work of diesel engines on unconventional fuels]. Moscow, Legion-Avtodata Publ., 2008. 464 p.
4. Biryukov, A.L. Methods and some results of studying the performance of a gasoline engine with distributed injection when using a gasoline-water mixture. Uluchshenie ekspluatatsionnykh pokazatelei dvigatelei vnutrennego sgoraniya : Materialy II Vserossiiskoi nauch.-prakt. konf. «Nauka - Tekhnologiya - Resursosberezhenie» [Improving the performance of internal combustion engines: Proc. of the II All-Russian Scientific and Practical Conference "Science - Technology - Resource Saving"].Saint-Petersburg - Kirov, 2008, no. 5, pp. 43-46. (in Russian)
5. Plotnikov S.A. Modern problems of using alcohols as a fuel for internal combustion engines. Mat. Vseross. nauch.-prakt. konf. [Proc. of All-Russian Scientific and Practical Conference]. Kirov, 2007, pp. 42-46
6. Kartoshkin A.P., Mokin A.V. Results of laboratory studying the oxygenate fuels calorific value. Izvestiya Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta [Proc. of the St. Petersburg State Agrarian University]. 2008, no. 10, pp. 147-150. (in Russian)
7.Plotnikov S.A.,Gushchin S.N.Improvementof effectiveandecologicalcharacteristics of a tractor diesel engine using alcohol-containing fuels. Energoobespechenie i energosberezhenie v sel'skom khozyaistve. /Tr. 4-T Mezhd. nauch.-tekhn. konf.: V 4 Ch. [Energy supply and energy saving in agriculture. / Proc. of the 4th International scientific and technical conference: in 4 parts.]. Moscow, 2004, pp. 337-341
8. Belyavtsev A.V., Protserov A.S. Toplivnaya apparatura avtotraktornykh dizeleT [Fuel equipment of automotive diesel engines]. Moscow, Rosagropromizdat Publ., 1988. 224 p.
9. Plotnikov S.A., Smol'nikov M.V. Creating new types of ethanol-based alternative fuels. Obshchestvo, nauka, innovatsii. Vseros. ezhegod. nauch.-prakt. konf. [Society, science, innovation. All-Russian annual scientific and practical conference]. Kirov, 2016, pp. 1358-1362.
10. Plotnikov S.A., Gushchin S.N., Lebedev S.R Studying the performance of the diesel 2h 10.5 / 12.0 on alcohol-containing fuels with active additives. Dvigatelestroenie [Engine building], 2003, no 1, pp. 36-37. (in Russian)
11. Biryukov A.L., Koptyaev V.A., Nozhnin S.R. Sposob i ustroTstvo dlya polucheniya i podachi toplivno-vodnoT smesi v DVS [A method and apparatus for producing and supplying a fuel-water mixture in an ICE] Patent RF, no2382229, 2010.
12. Plotnikov S.A., Smol'nikov M.V. Sistema regulirovaniya mnogotoplivnogo dizelya [Multi-fuel diesel control system] Patent RF, no 2565383, 2015.
13. Plotnikov S.A., Mokrushin S.P. Smesitel' [Mixer] Patent RF, no 2079351, 1994.
Modernizing the power supply system of the tractor diesel 4C4SS (4 cylinder 4 stroke supercharger) 11.0 / 12.5 for work on ethanol-fuel emulsion
Plotnikov Sergey Aleksandrovich, Doctor of Science (Technics), Professor of the Chair of Technology of Mechanical Engineering e-mail: PlotnikovSA@bk.ru
Federal State Budget Educational Institution of Higher Education "The Vyatka State University"
Smolnikov Mikhail Vladimirovich, post-graduate student, the Chair of Technology of Mechanical Engineering
e-mail: mihail.mai@mail.ru
Federal State Budget Educational Institution of Higher Education "The Vyatka State University"
Kartashevich Anatoly Nikolaevich, Doctor of Science (Technics), Professor, Head of the Chair of Tractors and Cars
e-mail: Kartashevich@yandex.ru
Educational establishment "Belarusian State Agricultural Academy"
Biryukov Alexander Leonidovich, Candidate of Science (Technics), Associate Professor, Head of the Chair of Energy Facilities and Technical Service e-mail: biryukov_alex@mail.ru
The Federal State Budget Educational Institution of Higher Education "The Vereshchagin Vologda State Dairy Farming Academy"
Abstract. The article presents a fuel feed system for the preparation and feeding of the ethanol-fuel emulsion into the tractor diesel cylinder 4C4SS (4 cylinder 4 stroke supercharger) 11.0/12.5 (D-245.5S5). The results of testing the fuel equipment on the stand KI-22210-02M-15 have been considered. The possibility of improving the properties of fuel blends and their application in a tractor diesel has been evaluated.
Keywords: tractor diesel, ethanol-fuel emulsion, fuel high-pressure pump, highspeed characteristics, fuel feed system, stability.
