CC BY
32
УДК 621.436+665.753.4 DOI 10.36461/NP.2021.59.2.019
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ГРУППОВОГО СОСТАВА ДИЗЕЛЬНЫХ ТОПЛИВ НА ЭФФЕКТИВНЫЕ
ПОКАЗАТЕЛИ АВТОМОБИЛЬНОГО ДИЗЕЛЯ
Д.А. Уханов, доктор техн. наук, профессор; М.Д. Прокопцова, мл. науч. сотр.; И.Ф. Адгамов канд. техн. наук; А.П. Ухановдоктор техн. наук, профессор
Федеральное автономное учреждение «25 государственный научно-исследовательский институт химмотологии Министерства обороны Российской Федерации», г. Москва, Россия,
*Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пензенский государственный аграрный университет», г. Пенза, Россия, e-mail: [email protected]
Групповой состав нефтяного дизельного топлива (ДТ) предопределяет основные физико-химические и теплотворные свойства топлива, оказывающие существенное влияние на процессы испарения, воспламенения и сгорания топлива в дизельном двигателе и, как следствие, на его мощностные и топливно-экономические показатели. Групповой состав нефтяного ДТ различных марок характеризуется определенным содержанием в нем различных углеводородных компонентов и химических соединений. Одним из эффективных методов исследования группового состава ДТ является хромато-масс-спектрометрия. Хроматографическое разделение летнего и зимнего ДТ на угле-водородные компоненты и химические соединения, а также их масс-спектро-метрический анализ проводили на хромато-масс-спектрометре фирмы «Хроматэк». Полученные масс-спектры углеводородных компонентов и химических соединений позволили определить групповой состав дизельного топлива марок ДТ-Л-К5 и ДТ-З-К5. Результаты стендовых испытаний автомобильного дизеля Д-245.12С показывают, что максимальную эффективную мощность двигатель выдает при работе на летнем ДТ и меньшую - на зимнем ДТ. Показатели топливной экономичности (часовой и удельный эффективный расход топлива) дизеля при его работе на зимнем ДТ лучше по сравнению с работой на летнем ДТ. Наибольшие значения эффективного КПД отмечаются при работе дизеля на зимнем ДТ.
Ключевые слова: дизельное топливо, хромато-масс-спектрометрия, групповой состав, дизель, эффективные показатели.
Введение
Совершенствование технологии производства современных дизельных топлив невозможно без изучения их группового состава, характеризующего содержание в топливе углеводородов определенных гомологических рядов и различных химических соединений [1].
Групповой состав предопределяет основные физико-химические и теплотворные свойства топлива, что в конечном итоге влияет на процессы испарения, воспламенения и сгорания топлива в дизельном двигателе [2, 3].
В настоящее время наиболее эффективным лабораторным методом исследования группового состава дизельных топлив является хромато-масс-спектрометрия с получением масс-спектров углеводородных компонентов и химических соединений [4]. Метод основан на комбинации двух самостоятельных методов - хроматографии и масс-спектрометрии. Методом хроматографии осуществляют разделение топлива на углеводородные компоненты и химические
соединения, методом масс-спектрометрии - идентификацию и количественный анализ (процентное содержание) компонетов и соединений [5, 6, 7].
Эффективность испарения, воспламенения и сгорания различных топлив в дизелях неодинакова [8]. В идеальном случае для дизеля требуется моторное топливо с оптимальным групповым составом, обладающее необходимыми физико-химическими и теплотворными свойствами, позволяющими наиболее эффективно осуществлять не только процесс сгорания, но и в целом рабочий процесс двигателя [9, 10]. От качества протекания рабочего процесса зависят мощностные и топливно-экономические показатели дизеля [11, 12].
Поэтому целью исследований является определение группового состава различных марок дизельного топлива (ДТ) и оценка его влияния на эффективные показатели автомобильного дизеля.
Методы и материалы
За объект исследований принято товарное нефтяное ДТ двух марок,
соответствующих требованиям ГОСТ 32511-2013:
1) дизельное топливо ЕВРО, летнее, экологического класса К5 марки ДТ-Л-К5;
2) дизельное топливо ЕВРО, зимнее, экологического класса К5 марки ДТ-З-К5.
Выбор данных марок дизельного топлива обоснован различиями показателей качества и компонентных составов, обусловленными технологией производства и качеством исходного сырья.
В таблице 1 приведены основные показатели качества исследуемых топлив.
Таблица 1
Основные показатели качества дизельных топлив ДТ-Л-К5 и ДТ-З-К5
№ Наименование Показатели по ГОСТ 32511 Фактические показатели
п/п показателя
ДТ-Л-К5 ДТ-З-К5 ДТ-Л-К5 ДТ-З-К5
1 Цетановое число не менее 51 не менее 48 58 53
2 Цетановый индекс не менее 46 54 52
3 Плотность при 15°С, кг/м3 820-845 800-840 837,4 821,4
4 Полициклические ароматические не более 8,0 3,0 1,6
углеводороды, % (по массе)
5 Содержание серы, мг/кг для топлива вида К5 не более 10,0 9,8 9,7
6 Температура вспышки в закрытом тигле, °С выше 55 выше 40 76 62
7 Коксуемость 10 %-ного остатка разгонки, % не более 0,3 0,09 0,006
(по массе)
8 Зольность, % (по массе) не более 0,01 отсутствие отсутствие
9 Содержание воды, мг/кг не более 200 52,5 52
10 Общее загрязнение, мг/кг не более 24 12 12
11 Коррозия медной пластинки (3ч при 50 °С), класс 1 класс 1 класс 1
единицы по шкале
12 Окислительная стабильность: не более 25 12 12
общее количество осадка, г/м3
13 Смазывающая способность: скорректированный диаметр пятна износа, при 60 °С, мкм не более 460 406 381
14 Кинематическая вязкость при 40 °С, мм2/с 2,0-4,5 1,5-4,0 3,104 2,219
15 Фракционный состав для летнего дизельного топлива:
при температуре 250°С, % (по объему) менее 65 29 -
при температуре 350°С, % (по объему) не менее 85 94 -
95 % (по объему) перегоняется при температуре, °С не выше 360 357 -
16 Фракционный состав для зимнего не более 10
дизельного топлива:
до 180°С перегоняется, % (по объему) - 3
до 360°С перегоняется, % (по объему) не менее 95 - 98
17 Предельная температура фильтруемости, °С не выше минус 5 не выше минус 32 -14 -33
18 Температура помутнения, оС не выше минус 5 не выше минус 22 -5 -24
19 Низшая теплота сгорания, кДж/кг ГОСТ 21261 42960 43120
Хроматографическое разделение и масс-спектрометрический анализ
группового состава исследуемых ДТ проводили на хроматомасс-спектрометре фирмы «Хроматэк». Результаты масс-спектров топлив показаны на рисунке 1.
Полученные масс-спектры были расшифрованы и сведены в таблицу 2 в виде процентного содержания углеводородных компонентов определенных гомологических рядов (ароматические углеводороды -арены, парафиновые углеводороды - ал-каны, нафтеновые углеводороды - цик-ланы) и различных химических соединений
(кислородсодержащих, серасодержащих и азотсодержащих соединений).
Из данных, представленных в таблице 2, следует, что основными углеводородными компонентами исследуемых ДТ являются н-алканы и изоалканы. Процентное содержание н-алканов в летнем ДТ (64,88 %) преобладает над их содержанием в зимнем ДТ (55,32 %), что в первую очередь связано с различным месторождением нефти, из которой были получены топлива. Повышенное содержание н-алканов в летнем ДТ способствовало увеличению цетанового числа до 58 ед. (см. табл.1).
Время, мин ВРемя, мин
а) летнее ДТ б) зимнее ДТ
Рис. 1. Масс-спектры исследуемых дизельных топлив
Таблица 2
Гоупповой состав исследуемых дизельных топлив, %
Арены Алканы Цикланы Химические соединения
Марка дизельного топлива моно поли н-алканы изо-алканы моно поли кислород. серасод. азотсод.
ДТ-Л-К5 5,76 0,32 64,88 22,21 3,53 2,45 0,66 0,00 0,19
ДТ-З-К5 3,22 0,00 55,32 38,21 0,00 0,00 3,25 0,00 0,00
Процентное содержание изоалканов в зимнем ДТ (38,21 %) преобладает над их содержанием в летнем ДТ (22,21 %), поскольку к зимнему дизельному топливу предъявляются более жесткие требования по температуре застывания и другим эксплуатационным свойствам. В зимнем ДТ, в отличие от летнего ДТ, отсутствуют цик-ланы (моноциклические и полициклические).
Более высокое содержание аренов в летнем ДТ повысило его кинематическую вязкость на 0,885 мм2/с (см. табл.1) по сравнению с зимним ДТ. В исследуемых топли-вах присутствуют кислородсодержащие соединения с процентным содержанием от 0,66 % в летнем ДТ до 3,25 % в зимнем ДТ.
Оценка влияния группового состава летнего и зимнего ДТ на эффективные показатели дизеля осуществлялась на экспериментальной установке (рис. 2), в состав которой входили автомобильный турбонад-дувный двигатель Д-245.12С (1) с системой отвода отработавших газов, система
подачи топлива (2), динамометрическая машина VSETIN IDS 932N (3) с пультом управления и контрольно-измерительные приборы (измерители нагрузки, частоты вращения коленчатого вала, расхода топлива, температуры охлаждающей жидкости, давления масла в двигателе и др.) [13].
Испытания дизеля при работе на исследуемых топливах проводились в условиях внешней скоростной характеристики, снимаемой в диапазоне частот вращения коленчатого вала от минимальной (1000 мин-1) до номинальной частоты (2400 мин-1) через каждые 200 мин-1 в течение рабочего дня при одинаковых атмосферных условиях и постоянной температуре топлива на входе в топливный насос высокого давления [14, 15, 16, 17, 18].
За оценочные показатели дизеля приняты: эффективная мощность (Ne), часовой расход топлива (G^, удельный эффективный расход топлива (ge) и эффективный КПД (Пе) [19, 20].
Рис. 2. Экспериментальная установка: 1 - турбонаддувный дизель Д-245-12С; 2 - система подачи топлива; 3 - динамометрическая машина VSETIN IDS 932N
Показатели дизеля рассчитывались на основании экспериментальных данных по формулам:
- эффективная мощность дизеля (кВт)
973 '
- удельный эффективный расход топлива (г/кВтч)
_ Ст1000
- эффективный КПД
3600
Ve
ни'3е
где Рт - нагрузка на тормозе, кгм; п - частота вращения коленчатого вала, мин-1; Gт - часовой расход топлива (определялся с помощью расходомера топлива), кг/ч; Ни-низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг.
Результаты
На рисунках 3-6 показан характер изменения эффективных показателей дизеля в условиях внешней скоростной характеристики при его работе на исследуемых топ-ливах.
По мере увеличения частоты вращения коленчатого вала различие в численных значениях эффективной мощности при работе дизеля на исследуемых топливах возрастает. Наибольшая разница в значениях эффективной мощности (0,7 кВт) зафиксирована на частоте вращения коленчатого
вала 2400 мин-1, при этом мощность дизеля на летнем ДТ составила 80,7 кВт, на зимнем ДТ - 80,0 кВт (рис. 3).
Показатели топливной экономичности дизеля при работе на зимнем ДТ лучше по сравнению с его работой на летнем ДТ (рис. 4 и 5).
К примеру, на режиме, соответствующем номинальной частоте вращения коленчатого вала 2400 мин-1, часовой расход топлива при работе дизеля на летнем ДТ составил 21,8 кг/ч, на зимнем ДТ - 21,1 кг/ч (рис. 4).
Снижение часового расхода топлива на 0,7 кг/ч объясняется меньшим массовым наполнением надплунжерного пространства насосных секций топливного насоса высокого давления зимним ДТ по сравнению с летним ДТ вследствие того, что плотность зимнего ДТ (821,4 кг/м3) меньше летнего ДТ (837,4 кг/м3).
Удельный эффективный расход топлива, например, на частоте вращения коленчатого вала 1600 мин-1, соответствующей режиму максима-льного крутящего момента, при работе дизеля на зимнем ДТ составил 233 г/кВт ч, на летнем ДТ - 236 г/кВтч (рис. 5).
Разница в численных значениях удельного эффективного расхода топлива связана прежде всего с различием показателей исследуемых топлив, характеризующих воспламеняемость (у зимнего ДТ цетановое
j-n
т
число равно 53 ед., у летнего ДТ - 58 ед.), свойства (плотность, вязкость, низшая теп-физико-химические и теплотворные лота сгорания и др.).
1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
Частота вращения коленчатого вала, мин 1
1 - летнее ДТ; 2 - зимнее ДТ Рис. 3. Изменение эффективной мощности в условиях внешней скоростной характеристики дизеля Д-245.12С
7 --------------
1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
Частота вращения коленчатого вала, мин1
1 - летнее ДТ; 2 - зимнее ДТ Рис. 4. Изменение часового расхода топлива в условиях внешней скоростной характеристики дизеля Д-245.12С
1600 1800 2000 2200 2400 Частота вращения коленчатого вала, мин1
1 - летнее ДТ; 2 - зимнее ДТ Рис. 5. Изменение удельного эффективного расхода топлива в условиях внешней скоростной характеристики дизеля Д-245.12С
1 - летнее ДТ; 2 - зимнее ДТ Рис. 6. Изменение эффективного КПД в условиях внешней скоростной характеристики дизеля Д-245.12С
При работе дизеля на исследуемых топливах диапазон изменения эффективного КПД составил 0,308-0,358 (рис. 6). На
всех скоростных режимах наибольшие значения эффективного КПД отмечаются при работе дизеля на зимнем ДТ, что можно
объяснить меньшим удельным эффективным расходом зимнего ДТ по сравнению с летним ДТ при незначительном отличии теплотворной способности этих топлив (низшая теплота сгорания зимнего и летнего Дт составляет соответственно 43,12 МДж/кг и 42,96 МДж/кг).
мощностные и топливно-экономические показатели дизельного двигателя. Методом хромато-масс-спектрометрического анализа определен групповой состав летнего и зимнего дизельного топлива марок ДТ-Л-К5 и ДТ-З-К5. По результатам стендовых испытаний дизеля Д-245-12С установлено, что групповой состав исследуемых марок дизельного топлива оказывает существенное влияние на эффективные показатели двигателя (мощность, часовой и удельный эффективный расход топлива, коэффициент полезного действия).
Заключение
От группового состава нефтяных дизельных топлив зависят не только их основные физико-химические и теплотворные свойства, но и процессы испарения, воспламенения и сгорания и, как следствие,
Литература
1. Song Ch., Hsu Ch.S., Mochida I. Chemistry of diesel fuels. Taylor & Francis, London, 2020, 316 p.
2. Heywood J. B. Internal combustion engine fundamentals. McGraw-Hill, USA, 1988, 930 p.
3. Borman G. L., Ragland K.W. Combustion Engineering. McGraw-Hill, USA, 1998, 648 p.
4. Ingle J. D., Crouch S.R. Spectrochemical analysis. Prentice-Hall International Editions, USA, 1988, 590 p.
5. Сафонов А. С., Ушаков А. И., Орешенков А. В. Качество автомобильных топлив. Эксплуатационные свойства. Требования к качеству. Методы испытаний. СПБ.: НПИКЦ, 2006, 400 с.
6. Бойченко С. В., Иванов С. В., Бурлака В. Г. Моторные топлива и масла для современной техники. К.: Национальный авиационный университет, 2005, 214 с.
7. Данилов А. М. Применение присадок в топливах: Справочник. СПб.: ХИМИЗДАТ, 2010, 368 с.
8. Speight J. G. The chemistry and technology of petroleum. 5th Edition. CRC Press, USA, 2014, 953 p
9. Speight J. G. Handbook of petroleum refining processes. CRC Press, USA, 2016, 789 p.
10. Karim C. A. Dual-fuel diesel engines. CRC Press, USA, 2015, 312 p.
11. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей. Под ред. А. С. Орлина, М. Г. Круглова. - М.: Машиностроение, 1983, 372 с.
12. Уханов А. П., Китанин В. Ф., Уханов Д. А., Федулов Р. В., Суменков С. В. Автомобильные и тракторные двигатели. Курсовое проектирование. Пенза: РИО ПГСХА, 2005, 192 с.
13. Уханов Д. А., Шаталов, К. В., Волгин, С. Н. Экспериментальная установка для определения свойств дизельных топлив по индикаторным диаграммам рабочего процесса двигателя. 55 лет химмотологии - основные итоги и направления развития: сборник тезисов Межведомственной НТК, М., Принтлето, 2019, с. 127-129.
14. Уханов А. П., Рачкин В. А., Уханов Д. А., Иванов В. А. Биодиты - альтернативный вид моторного топлива для тракторных дизелей. Нива Поволжья, 2009, № 2 (11), с. 71-76.
15. Уханов А. П., Шеменев Д. С., Зеленин О. Н., Сафаров Р. К., Голубев В. А., Павлушин С. В. Сравнительный анализ свойств растительных масел используемых в качестве биотоплива. Вклад молодых ученых в инновационное развитие АПК России: сборник материалов Всероссийской НПК. Пенза: РИО ПГСХА, 2010, с. 125-127.
16. Рыблов М. В., Уханов А. П., Уханов Д. А. Способ и средства улучшения эксплуатационных показателей тракторного дизеля. Научное обозрение, 2014, № 3, с. 42-49.
17. Ukhanov A. P., Hokhlova E. A. Modernization of diesel engine during the work with mineral and vegetable fuels. Materials of the III international research and practice conference «Science and Education» 25-26 april 2013, Munich, Germany, p. 104-107.
18. Godina E. D., Ukhanov A. P., Covachev F. Experimental studies of diesel D-243-648 work on mixed sou mineral fuel. Wschodnioeuropejskie Gzasopismo Naukowe (East Europen Scintifie Journal). - Warszava Polska, 2016, №6, p. 110-113.
19. Уханов А. П., Уханова, Ю. В. Влияние биодобавки к минеральному дизельному топливу на показатели тракторного дизеля. Научное обозрение, 2017, № 15, с. 55-62.
20. Терморегулирование топливо-смазочных материалов в системах мобильных машин. Под ред. П.А. Власова, А. П. Уханова, И.А. Спицына. - Пенза: РИО ПГСХА, 2001, 140 с.
UDC 621.436+665.753.4 DOI 10.36461/NP.2021.59.2.019
ASSESSMENT OF THE IMPACT OF THE GROUP COMPOSITION OF DIESEL FUELS ON THE EFFICIENT PERFORMANCE OF AUTOMOTIVE DIESEL ENGINES
D.A. Ukhanov, Doctor of Technical sciences, professor; M.D. Prokoptsova, junior research associate; I.F. Adgamov, Candidate of Technical sciences; A.P. Ukhanov*, Doctor of Technical sciences, professor
Federal Autonomous Institution "25 State Research Institute of Chemistry of the Ministry of Defence of the Russian Federation", Moscow, Russia,
*Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Penza State Agrarian University», Penza, Russia, e-mail: [email protected]
The group composition of diesel oil (DO) predetermines the basic physical, chemical and calorific properties of fuel, which have a significant impact on the processes of evaporation, ignition and combustion of fuel in the diesel engine and, consequently, on its performance and fuel economy indicators. The group composition of diesel oil of various grades is characterized by a certain content in it of various hydrocarbon components and chemical compounds. One of the effective methods of researching the group composition of diesel oil is chromatography-mass spectrometry. Chromatographic separation of summer and winter diesel fuel into hydrocarbon components and chemical compounds, as well as their mass-spectrometric analysis were carried out on a chromato-mass-spectrometer of the Chromatec company. The obtained mass-spectra of hydrocarbon components and chemical compounds made it possible to determine the group composition of diesel fuel brands DT-L-K5 and DT-Z-K5. The results of test-bench runs of an automobile diesel engine D-245.12C show that the engine produces the maximum effective power when running on summer diesel and less power when running on winter diesel. Fuel efficiency indicators (hourly and specific effective fuel consumption) of the diesel engine at its operation on winter diesel oil is better in comparison to the operation on summer diesel oil. The highest values of effective efficiency are observed when the diesel is operated on winter diesel oil.
Keywords: diesel oil, chromatography-mass spectrometry, group composition, diesel, efficient indicators.
References
1. Song Ch., Hsu Ch.S., Mochida I. Chemistry of diesel fuels. Taylor & Francis, London, 2020, 316 p.
2. Heywood J. B. Internal combustion engine fundamentals. McGraw-Hill, USA, 1988, 930 p.
3. Borman G. L., Ragland K.W. Combustion Engineering. McGraw-Hill, USA, 1998, 648 p.
4. Ingle J. D., Crouch S.R. Spectrochemical analysis. Prentice-Hall International Editions, USA, 1988, 590 p.
5. Safonov A. S., Ushakov A. I., Oreshenkov A. V. Quality of motor fuels: operational properties, quality requirements, test methods. Saint-Petersburg: NPICC, 2006, 400 p.
6. Boychenko S. V., Ivanov S. V., Burlaka V. G. Motor fuels and oils for modern machinery. Kyiv: National Aviation University, 2005, 214 p.
7. Danilov A. M. Application of additives in fuels: Handbook. St. Petersburg: KHIMIZDAT, 2010, 368 p.
8. Speight J. G. The chemistry and technology of petroleum. 5th Edition. CRC Press, USA, 2014, 953 p
9. Speight J. G. Handbook of petroleum refining processes. CRC Press, USA, 2016, 789 p.
10. Karim C. A. Dual-fuel diesel engines. CRC Press, USA, 2015, 312 p.
11. Internal Combustion Engines: Theory of Piston and Combination Engines. Edited by A. S. Orlin, M. G. Kruglov. Moscow: Mashinostroenie, 1983, 372 p.
12. Ukhanov A.P., Kitanin V. F., Ukhanov D.A., Fedulov R. V., Sumenkov S. V. Automobile and Tractor Engines: Course Design. Penza: RIO PSAA, 2005, 192 p.
13. Ukhanov, D. A., Shatalov, K. V., Volgin, S. N. Experimental setup for determining the properties of diesel fuels according to the indicator diagrams of the engine run. 55 years of chemotology
- the main results and directions of development: collection of abstracts of Interdepartmental Scientific and Technical Conference, Moscow: Printleto, 2019, pp. 127-129.
14. Ukhanov A. P., Rachkin V. A., Ukhanov D. A., Ivanov V. A. Biodites - an alternative type of motor fuel for tractor diesel engines. Niva Povolzhya, 2009, № 2 (11), p. 71-76.
15. Ukhanov A. P., Shemenev D. S., Zelenin O. N., Safarov R. K., Golubev V. A., Pavlushin S. Comparative analysis of the properties of vegetable oils used as biofuel. Contribution of young scientists to the innovative development of agroindustrial complex of Russia: Proceedings of the All-Russian Scientific and Practical Conference. Penza: RIO PSAA, 2010, p. 125-127.
16. Ryblov M.V., Ukhanov A.P., Ukhanov D.A. Method and means to improve the performance of tractor diesel engine. Scientific review, 2014, № 3, p. 42-49.
17. Ukhanov A. P., Hokhlova E. A. Modernization of diesel engine during the work with mineral and vegetable fuels. Materials of the III international research and practice conference «Science and Education» 25-26 april 2013, Munich, Germany, p. 104-107.
18. Godina E. D., Ukhanov A. P., Covachev F. Experimental studies of diesel D-243-648 work on mixed sou mineral fuel. Wschodnioeuropejskie Gzasopismo Naukowe (East Europen Scintifie Journal). Warszava Polska, 2016, № 6, p. 110-113.
19. Ukhanov A. P., Ukhanova Y. V. Influence of a bio-additive to mineral diesel fuel on tractor diesel performance. Scientific review, 2017, № 15, p. 55-62.
20. Thermal management of fuel and lubricants in mobile machinery systems. Edited by P.A. Vlasov, A.P. Ukhanov, I.A. Spitsyn. Penza: RIO PSAA, 2001, 140 p.
