Оценка влияния минерально-растительного моторного топлива на показатели «Жесткости» тракторного дизеля Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 621.436.001.4+621.3-6:621.89

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ МИНЕРАЛЬНО-РАСТИТЕЛЬНОГО МОТОРНОГО ТОПЛИВА НА ПОКАЗАТЕЛИ «ЖЕСТКОСТИ» ТРАКТОРНОГО ДИЗЕЛЯ

А. П. Уханов, доктор техн. наук, профессор, т. (8412)628517, Е-таіІ:икї)апоу.рета@таіІ. ги;

Д. А. Уханов, канд. техн. наук, доцент;

В. А. Рачкин, канд. техн. наук, ст. преподаватель;

В. А. Иванов, аспирант

ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА»

В статье приведены результаты стендовых исследований тракторного дизеля Д-240 (4Ч11/12.5) при работе на минерально-растительном моторном топливе, состоящем из товарного дизельного топлива (ДТ) и метилового эфира рапсового масла (МЭРМ). Определен процентный состав смесевого топлива, при работе на котором «жесткость» дизеля будет наименьшей.

Основными потребителями моторных топлив нефтяного происхождения являются двигатели внутреннего сгорания. В то же время ограниченность нефтяных запасов и загрязнение окружающей среды продуктами сгорания моторных топлив диктуют необходимость поиска альтернативных энергоносителей. К таким моторным топливам для дизелей (без внесения конструкционных изменений) относится минерально-растительное топливо, приготовленное на основе смеси минерального дизельного топлива и рапсового биотоплива МЭРМ.

Ежегодно на производство биотоплива в мире расходуется до 200 млн. тонн зерновых и масличных культур, из которых получают более 10 млн. тонн растительного моторного топлива. На долю Европейских стран приходится порядка 6 млн. тонн. В странах Европы лидерами по производству рапсового биотоплива являются Германия, Италия, Франция, Великобритания, Испания и ряд других стран.

Использование смесевого топлива вносит существенные изменения в протекание рабочего процесса дизелей. При этом важным моментом является рациональное соотношение минеральных и растительных компонентов в смесевом топливе, так как от его состава будут зависеть не только технико-экономические и экологические показатели, но и «жесткость» работы дизеля. Жесткость оценивается средней (ДР/Дф)ср и максимальной @Р^ф)тах скоростями нарастания давления газов в цилиндрах дизеля. С одной стороны, увеличение этих скоростей повышает экономичность работы дизеля, однако при этом возрастает максимальное давление цикла, увеличивается механическая нагруженность деталей

цилиндропоршневой группы и, как следствие, износ. С другой стороны, минеральнорастительное моторное топливо обладает более низкой теплотой сгорания и уменьшенным периодом задержки воспламенения по сравнению с товарным дизельным топливом, что приводит к снижению скорости нарастания давления газов в цилиндрах, уменьшению механической нагружен-ности деталей и отсутствию «стуков» в дизеле.

Следует особо отметить, что при этом средняя и максимальная скорости нарастания давления газов, например, для дизеля Д-240 не должны превышать нормативных значений соответственно 0,4...0,6 и

1,5...2,0 МПа/град. п. к. в.

С целью оценки влияния смесевого топлива (ДТ - товарное дизельное топливо + МЭРМ - метиловый эфир рапсового масла) на показатели жесткости тракторного дизеля скомплектована экспериментальная моторная установка, включающая серийный дизель Д-240 (4411/12,5), все механизмы и системы которого отрегулированы в соответствии с инструкцией по эксплуатации, динамометрическую машину КБ-56/4, контрольно-измерительный комплекс, состоящий из датчиков (частоты вращения коленчатого вала и отметок зубьев маховика, ВМТ, давления газов DW-150, давления топлива конструкции ЦНИТА), прибора ИМД-ЦМ, аналоговоцифрового преобразователя 1А-2ивВ, тен-зостанции 8АНЧ-7М, ноутбука, расходомеров топлива и воздуха.

Для приготовления смесевого топлива в определенном процентном соотношении минеральное и растительное топлива заливались в емкость и интенсивно перемешивались до однородной массы в течение

десяти минут. После чего приготовленное минерально-растительное топливо заливалось в бак моторной установки. Элементарный состав и низшая теплота сгорания исследуемых топлив приведены в табл. 1.

вправо и влево на 24 части и нумеровали каждую ординату. Из точки пересечения ординаты с индикаторной диаграммой проводили касательную линию к диаграмме и определяли угол (аср) наклона этой линии.

Таблица 1

Элементарный состав и низшая теплота сгорания исследуемых топлив

Вид топлива Элементарный состав Низшая теплота сгорания, МДЖ/кг

С Н О

100 %ДТ 0,87 0,126 0,004 42,437

25 % МЭРМ + 75 % ДТ 0,8452 0,1246 0,0302 41,167

50 % МЭРМ + 50 % ДТ 0,8204 0,1233 0,0563 39,908

Исследования дизеля проводились на товарном дизельном топливе Л-0,2-62 (100 % ДТ) и двух видах смесевого топлива (25 % МЭРМ + 75 % ДТ; 50 % МЭРМ + 50 % ДТ) в режиме номинальной мощности и режиме холостого хода при частоте вращения коленчатого вала соответственно 2200 мин-1 и 800 мин-1 и нормативном угле опережения впрыска топлива 26 град. п. к. в.

На всех режимах снимались и обрабатывались осциллограммы давления топлива перед форсункой (рис. 1) и диаграммы рабочего процесса четвертого цилиндра дизеля (рис. 2). Запись осциллограмм давления топлива, развернутой индикаторной диаграммы, сигналов с отметчиков зубьев маховика и ВМТ осуществлялась на жесткий диск ноутбука в трехкратной повторности на каждом режиме. Визуальный контроль перечисленных сигналов производился по их форме на мониторе ноутбука.

Величина давления топлива на входе в форсунку (Рф) определялась путем обработки осциллограмм по выражению

Рф = Мрф • Ь, МПа,

где МРф - масштаб осциллограммы, МПа/мм; И -ордината осциллограммы, мм.

Средняя скорость нарастания давления топлива

М

Рф

Аф I Мт

' ' ср ф

■tgaср, МПа/град,

где МРф - масштаб диаграммы по оси ординат, МПа/мм; Мф - масштаб диаграммы

по оси абсцисс, град/мм; аср - угол наклона касательной, град.

Для определения максимальной и средней скоростей нарастания давления газов в цилиндре развернутую индикаторную диаграмму делили вертикальными линиями, проведенными через 15 градусов поворота коленчатого вала, начиная от ВМТ,

Максимальное давление в цилиндре определяли как среднее арифметическое значение (не менее чем из пятнадцати значений) ординат индикаторной диаграммы:

тр

Р = Мр X Р2іІтр , МПа, і=і

где Мр - масштаб диаграммы по оси ординат, МПа/мм; Рг - величина і-ой ординаты, мм; тр - число ординат индикаторной диаграммы.

Максимальная скорость нарастания давления газов

р

ёф

= Мр

шах Мф

■ tgaшаx, МПа/град.

Средняя скорость нарастания давления газов

АР

Аф

— | = ■ tgaср, МПа/град,

' ср ф

где Мр - масштаб диаграммы по оси ординат, МПа/мм; Мф - масштаб диаграммы по

оси абсцисс, град/мм; атах- угол наклона, образованный касательной к линии сгорания на участке наиболее резкого нарастания давления, град; аср- угол наклона касательной на каждом из участков.

Коэффициент избытка воздуха (а) определяли как отношение действительного количества воздуха (Свд) к теоретически необходимому (Овт) для полного сгорания смесевого топлива:

а~^вд/ ^вт-

Действительный и теоретический расходы воздуха (кг/ч):

вм = 3600• с• /Ф2?• Н-Рв ,

О„ = 1о От,

Нива Поволжья № 2(7) май 2008 59

где с - коэффициент согласования единиц измерения; f - площадь проходного сечения сопла, м2; ф - коэффициент расхода воздуха через сопло; g - ускорение свободного падения, м/с2; Н - перепад давлений в сопле, Па; рв - плотность воздуха, кг/м3; Gт -часовой расход смесевого топлива,

кг/ч;; 1 о - теоретически необходимое количество воздуха в кг для сгорания 1 кг сме-севого топлива.

В свою очередь теоретически необходимое количество воздуха

1о =

1

0.23

о

-С+8Н-О 3

, кг,

где С, К O - содержание углерода, водорода и кислорода в смесевом топливе; 0,23

Р. МПа

- массовое содержание кислорода в воздухе; 8/3, 8 - количество кислорода для полного сгорания углерода и водорода.

Расчеты показывают, что для сгорания 1 кг минерального дизельного топлива требуемое количество воздуха 1о = 14,452 кг, для сгорания 1 кг смесевого топлива 25 % МЭРМ + 75 % ДТ 1о = 14,002 кг, для сгорания 1 кг смесевого топлива 50 % МЭРМ + 50 % ДТ 1о = 13,556 кг.

Полученные значения показателей дизеля Д-240 (4411/12,5) при работе на различных видах моторного топлива представлены в табл. 2 и показаны на рис. 3 и 4.

Анализ проведенных исследований показывает, что, например, при работе дизеля на минерально-растительном моторном Р. МПа______________________________________

—1 1—1—1—1— 6 1—1—1—1—1 1—1—1—1—1— 11 J 1 1 1 I 1 17

-160 І І І І І І I 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 і і і і і і

Рис. 1. Последовательность обработки осциллограмм давления топлива на входе в форсунку дизеля Д-240 (4Ч11/12,5) на номинальном режиме при работе на минеральнорастительном моторном топливе 50 %МЭРМ+50 %ДТ: 1 - давление газов в цилиндре на рабочем режиме; 2 - давление газов в цилиндре при прокрутке; 3 - давление топлива перед форсункой; 4 - отметчик верхней мертвой точки и зубьев маховика

(р, град

Рис. 2. Последовательность обработки индикаторной диаграммы дизеля Д-240(4Ч 11/12,5) на номинальном режиме при работе на минеральнорастительном моторном топливе 50 %МЭРМ+50 %ДТ: 1 - давление газов в цилиндре на рабочем режиме; 2 - давление газов в цилиндре при прокрутке; 3 - давление топлива перед форсункой; 4 - отметчик верхней мертвой точки и зубьев маховика

ДТ 100% 25%МЭРМ + 50%МЭРМ +

75%ДТ 50%ДТ

а) давление топлива перед форсункой

н

о

о

а

о

а

о

я

я

Я

п

и

а *

и

75% ДТ 50%ДТ

в) коэффициент избытка воздуха

= ^

3 л

о

Л

а е л □

0.6

0.5

0.4

ДТ 100% 25%МЭРМ + 50%МЭРМ +

75% ДТ 50%ДТ

д) средняя скорость нарастания давления газов

ДТ 100% 25%МЭРМ + 50%МЭРМ +

75%ДТ 50%ДТ

б) средняя скорость нарастания давления топлива 7,5

я

ч

■*

В

Я

о

о

Ч

а

я

ч

о

О

и

■*

Л

л

§ з

! -

18 "5

д н

В £ * § о ® И 13 и 2 № № Л В В В Й Ї 5 Ч Я П

^ £ в 4

и

И

Л

7,3

7,1

ДТ 100% 25%МЭРМ + 50%МЭРМ +

75%ДТ 50%ДТ

г) максимальное давление цикла

1.8

1 1.5

1.4

^ ДТ 100% 25%МЭРМ + 50%МЭРМ +

75%ДТ 50%ДТ

е) максимальная скорость нарастания давления газов

Рис. 3. Показатели дизеля Д-240 (4Ч11/12,5) на режиме номинальной мощности при работе на топливах различного состава

Нива Поволжья № 2(7) май 2008 61

Средняя скорость нарастания Коэффициент избытка воздуха Давление топлива перед давления газов, МПа/град _ форсункой, МПа

ДТ 100% 25%МЭРМ + 50%МЭРМ +

75% ДТ 50%ДТ

а) давление топлива перед форсункой 6.1

5.9

6.01

ДТ 100% 25%МЭРМ + 50%МЭРМ +

75% ДТ 50% ДТ

в) коэффициент избытка воздуха

ДТ 100% 25%МЭРМ + 50%МЭРМ +

75%ДТ 50%ДТ

д) средняя скорость нарастания давления газов

3.4

3.0

а 3.3

<3 -!~ н ІЗ

3 И

а 5

ев 1*5

* ев л а

- д

« В

° И

а 5

® н

В «

І І X «

^ ч

о я & л

и ^

ДТ 100% 25%МЭРМ + 50%МЭРМ +

75%ДТ 50%ДТ

б) средняя скорость нарастания давления топлива

6,3 6,3 6,3

л

И

л

ч

а

8

*

О

О

Ч

&

Л

о

О

и

а

л

£

ДТ 100% 25%МЭРМ + 50%МЭРМ +

75% ДТ 50%ДТ

г) максимальное давление цикла

75%ДТ 50%ДТ

е) максимальная скорость нарастания давления газов

Рис. 4. Показатели дизеля Д-240 (4Ч11/12,5) на режиме холостого хода при работе на топливах различного состава

Таблица 2

Показатели дизеля Д-240 (4Ч 11/12,5) при работе на различных видах моторного топлива

Показатель Вид топлива

Минеральное дизельное топливо Л-02-62 25 %МЭРМ+ 75 %ДТ 50 %МЭРМ+ 50 %ДТ

Режим номинальной мощности (п = 2200 мин-1)

Давление топлива перед форсункой, МПа 27,0 29,7 + 9,0 %* 30,8 + 12,2 %

Средняя скорость нарастания давления топлива, МПа/град 10,7 12,1 + 11,2 % 13,5 + 20,6 %

Средняя скорость нарастания давления газов, МПа/град 0,6 05 - 21,0 % 04 - 29,0 %

Максимальная скорость нарастания давления газов, МПа/град 1,8 \р % 57 14 - 23,5 %

Коэффициент избытка воздуха 1,45 1,49 + 3,3 % 1,47 + 1,8 %

Максимальное давление цикла, МПа 7,5 73 - 3,2 % 71 - 5,6 %

Режим холостого хода (п = 800 мин-1)

Давление топлива перед форсункой, МПа 17,5 17,8 + 1,6 % 18,4 + 4,6 %

Средняя скорость нарастания давления топлива, МПа/град 3,0 33 + 7,6 % 34 + 11,7 %

Средняя скорость нарастания давления газов, МПа/град 0,17 0,15 - 12,1 % 0,14 - 15,7 %

Максимальная скорость нарастания давления газов, МПа/град 0,88 0,82 - 8,5 % 0,80 - 10,1 %

Коэффициент избытка воздуха 5,9 61 + 3,3 % 6,01 + 1,7 %

Максимальное давление цикла, МПа 6,3** 6,3 6,3

*в знаменателе процентное изменение показателей дизеля на смесевом топливе по сравнению с работой на товарном дизельном топливе («+» - повышение, «-» - снижение);

**на режиме холостого хода независимо от вида топлива максимальное давление цикла остается неизменным, так как обеспечивается постоянство частоты вращения коленчатого вала требуемой цикловой подачей топлива

топливе 25 %МЭРМ+75 %ДТ в режиме номинальной мощности давление топлива перед форсункой увеличивается на 9,0 % (с 27,0 МПа до 29,7 МПа), средняя скорость нарастания давления топлива - на

11,2 % (с 10,7 МПа/град до 12,1 МПа/град), коэффициент избытка воздуха - на 3,3 % (с 1,45 до 1,49), средняя и максимальная скорости нарастания давления газов в цилиндре уменьшаются соответственно на 21 % (с 0,6 МПа до 0,5 МПа) и 15,7 % (с 1,8 МПа до 1,5 МПа), а максимальное давление цикла - на 3,2 % (с 7,5 МПа до 7,3 МПа) по сравнению с работой на минеральном дизельном топливе (рис. 3).

В результате проведенных исследований дизеля Д-240 (4411/12,5) при работе на минерально-растительных моторных топливах, по сравнению с работой на товарном дизельном топливе, можно сделать

вывод, что на всех видах смесевого топлива снизились средняя и максимальная скорости нарастания давления газов в цилиндре. Наименьшие показатели жесткости наблюдались при работе на минеральнорастительном моторном топливе 50 % МЭРМ + 50 % ДТ, обеспечившем более «мягкую» работу дизеля.

Литература

1. Николаенко, А. В. Теория, конструкция и расчет автотракторных двигателей / А. В. Николаенко. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Колос, 1992. - 414 с.

2. Николаенко, А. В. Определение показателей рабочего цикла двигателя внутреннего сгорания по индикаторным диаграммам с применением ЭВМ / А. В. Николаенко, Е. П. Павлов, С. И. Чермидов. - Л.: ЛОТКЗСХИ, 1982. - 22 с.

Нива Поволжья № 2(7) май 2008 63