CC BY
45
12. Utochnenie Sxemy kompleksnogo ispol'zovaniya i ohrany vodnyh i svyazannyh s nimi rybnyh i zemel'nyh resursov Nizhnej Volgi. r. Ahtuby, r. Urala i Severnogo Kaspiya [Tekst]. - Leningrad: Lengiprovodhoz, 1982.
13. Shterenliht, D. V. Gidravlika dlya studentov vuzov [Tekst] /D. V. Shterenliht. - M.: Jener-goatomizdat, 1984. - S. 370-374.
14. Graser, A. Learning QGIS / A. Graser. - Third Edition: Packt Publishing, 2016. - 210 p.
15 Sherman, G. The PyQGIS Programmer's Guide: extending QGIS 2.x with Python / G.
Sherman. - Published by Locate Press LLC, 2014. - 200 p.
E-mail: [email protected]
УДК 621.43
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ СОСТАВА И СВОЙСТВ СМЕСЕЙ ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА И ПАЛЬМОВОГО МАСЛА НА ПОКАЗАТЕЛИ ПРОЦЕССА ВПРЫСКИВАНИЯ ТОПЛИВА В ДИЗЕЛЕ
EVALUATION OF THE INFLUENCE OF THE COMPOSITION AND PROPERTIES OF DIESEL FUELS AND PALM OIL MIXTURES ON THE INDICATORS OF THE FUEL INJECTION PROCESS IN DIESEL
Э.К. Чибанда, аспирант В. М. Славуцкий, доктор технических наук, профессор А. В. Курапин, кандидат технических наук, доцент Е.А. Салыкин, кандидат технических наук, доцент
E.K. Chibanda, V.M. Slavutsky, A.V. Kurapin, E.A. Salykin
Волгоградский государственный технический университет Volgograd State Technical University
Изучен мировой опыт применения пальмового масла в качестве топлива для дизелей. Проанализировано влияние состава смеси на показатели процесса впрыскивания при постоянном значении активного хода плунжера, соответствующего номинальной цикловой подаче, в случае использования только дизельного топлива. Исследовано влияние состава смеси на показатели процесса впрыскивания при постоянном значении массовой цикловой подачи смеси, соответствующей номинальной цикловой подаче при использовании только дизельного топлива. Проанализировано влияние состава смеси на показатели процесса впрыскивания при сохранении постоянной теплотворной способности смеси. Проведён сравнительный анализ изменения параметров распыливания смесей дизельного топлива и долей пальмового масла от 0 до 60 в зависимости от определенных параметров ТПА и смеси (рабочий ход плунжера, цикловая подача и подведенная теплота). Показано, что изменения параметров ТПА не требуются, поскольку соответствующее изменение объемной цикловой подачи и активного хода плунжера при изменении доли пальмового масла в смеси до 60 % не превышает 3 %. Согласно требованиям стандарта, эти отклонения в допустимых пределах, что позволяет использовать смесевые топлива на основе пальмового масла.
The world experience of using palm oil as a fuel for diesel engines was studied. The influence of the mixture composition on the indices of the injection process at a constant value of the active stroke of the plunger corresponding to the nominal cyclic feeding is analyzed in the case of using only diesel fuel. The influence of the composition of the mixture on the parameters of the injection process at a constant value of the mass cyclic feeding of the mixture corresponding to the nominal cyclic feed rate using only diesel fuel was studied. The influence of the mixture composition on the indices of the injection process is analyzed while maintaining the constant heating value of the mixture. A comparative analysis of the change in the parameters of spraying of diesel fuel mixtures and palm oil fractions from 0 to 60 is performed depending on the specific parameters of the injection molding machine and the mixture (working stroke of plunger, cyclic feed and heat input). It is shown that changes in the
TPA parameters are not required, since the corresponding change in the volume cyclic feed and active stroke of the plunger with a change in the proportion of palm oil in the mixture to 60% does not exceed 3%. According to the requirements of the standard, these deviations are within acceptable limits, which makes it possible to use mixed fuels based on palm oil.
Ключевые слова: дизель, дизельное топливо, пальмовое масло, смесевое биотопливо, впрыскивание топлива, топливоподача.
Key words: Diesel engine, diesel fuel, palm oil, mixed biofuel, fuel injection, fuel
supply.
Введение. В последние годы в ведущих странах мира активно изучают возможности применения в двигателях внутреннего сгорания биотоплив растительного происхождения, чтобы снизить зависимость от нефтяных ресурсов и значительно сократить выбросы парниковых газов [8]. При использовании биотоплива в дизельных двигателях его принято называть биодизельным топливом (БТ). Биодизельное топливо может использоваться как в смеси с дизельным топливом (ДТ) нефтяного происхождения, так и в чистом виде. Одним из широкого распространенных видов биотоплив являются растительные масла. В странах с тропическим климатом широко распространено производство пальмового масла.
В России начаты и активно развиваются исследования по применению растительных масел в качестве перспективного источника энергии для дизелей [5, 8, 1, 2, 3, 7].
Материалы и методы. Анализ литературных источников показывает, что многочисленные исследования биотоплив растительного происхождения, в том числе пальмового масла, как альтернативных топлив, касаются в основном трибологических, экологических, экономических и других аспектов их использования в дизелях. Влияние же свойств пальмового масла, его смесей с дизельным топливом на характеристики и показатели процесса впрыскивания топлива в системах топливоподачи дизелей мало изучено [9, 10].
В качестве объекта расчетных исследований выбран дизель Д-144 Владимирского тракторного завода. Двигатель оснащён топливным насосом УТН-5 со следующими параметрами: диаметр плунжера ёпл = 8,5 мм, полный ход плунжера Ьпл = 8 мм, номинальная частота вращения вала топливного насоса ином = 1000 мин-1. Форсунки ФД-22 со стандартным соплом и давлением начала впрыскивания 17 МПа.
За базовое принято дизельное топливо марки Л по ГОСТ 305-82. В качестве добавки к базовому топливу принято пальмовое масло. Пропорция смеси составляет 10 %, 20 %, 30 %, 40 %, 50 %, 60 % объема пальмового масла от объема смеси. В расчетах состав сме-севого топлива определяется объемной долей пальмового масла gm в смеси с дизельным топливом.
Принята плотность дизельного топлива рт = 830 кг/м3, плотность пальмового масла - рпм = 918 кг/м3 при нормальных условиях. Номинальная объемная цикловая подача топлива при работе на дизельном топливе Уц = 72 мм3, массовая цикловая подача топлива - Gц = 0,06 г.
Характеристики и показатели процесса топливоподачи определялись расчётным методом с использованием программного комплекса «ПК Впрыск», разработанного на кафедре «Поршневые двигатели» МГТУ им. Баумана. Математическая модель «ПК Впрыск» позволяет учитывать влияние свойств топлива и состава смеси на динамику процесса впрыскивания топлива в системах топливоподачи [2, 3, 7].
Результаты. Повышенная плотность и вязкость пальмового масла являются причиной увеличения массовой цикловой подачи и часового расхода топлива при его использовании в дизеле. Рассчитывались плотность рсм и массовая цикловая подача Gц см для смесевого топлива, состоящего из дизельного топлива и пальмового масла. Со-
став смесевого топлива определялся объемной долей пальмового масла gпм в смеси с дизельным топливом. Рисунок 1 наглядно демонстрирует увеличение плотности смеси и массовой цикловой подачи по мере увеличения объёмной доли пальмового масла в смесевом топливе.
Методикой предусматривался расчёт показателей процесса топливоподачи для смесевого топлива при постоянном активном ходе плунжера (1,93 мм), соответствующем номинальной цикловой подаче при использовании только дизельного топлива. Результаты расчетов приведены на рисунках 2.. .4.
Увеличение доли пальмового масла ^пм в составе смесевого топлива ведет к увеличению массовой цикловой подачи смеси Gц см, росту среднего и максимального давлений впрыскивания и общей продолжительности подачи. Это объясняется увеличением плотности и вязкости смеси. Следует отметить большее увеличение массовой цикловой подачи смеси Gц см с ростом доли пальмового масла gпм, полученной при гидродинамическом расчете (рисунок 2), по сравнению с массовой цикловой подачей смеси Gц см, полученной только при учете плотности смеси (рисунок 1). Это можно объяснить уменьшением утечек смеси через зазоры в плунжерной паре из-за увеличения вязкости смеси с ростом доли пальмового масла gпм.
Обсуждение. Для стабилизации массовой цикловой подачи смеси Gц см с ростом доли пальмового масла gпм необходимо уменьшать активный ход плунжера, то есть производить соответствующую регулировку топливной аппаратуры (рисунок 4).
Выполнена серия расчетов для определения показателей процесса подачи смесевого топлива при постоянной (массовой) цикловой подаче смеси Gц см, соответствующей цикловой подаче только дизельного топлива (0,06 г).
Активный ход плунжера уменьшился от 1,93 до 1,7 мм (рисунок 4). Снизилась и общая продолжительность подачи топлива. Максимальное и среднее давления впрыскивания повысились, с ростом доли пальмового масла в смеси gпм, до 24,9 МПа и до 15,8 МПа, соответственно (рисунок 3), что объясняется увеличением плотности и вязкости смеси.
Стабилизация массовой цикловой подачи смеси Gц см с ростом доли пальмового масла в смеси gпм ведет к снижению количества теплоты, введенной с топливом в камеру сгорания, что объясняется снижением теплотворной способности смеси. Это приводит к снижению мощности двигателя. На рисунке 6 показано изменение количества теплоты Qсм, введенной с топливом в камеру сгорания при постоянной массовой цикловой подаче смеси Gц см, равной 0,06 г. Теплотворная способность дизельного топлива принята равной 42500 кДж/кг, пальмового масла - 37 100 кДж/кг.
В связи с этим, представляется целесообразным производить регулировку активного хода плунжера с учетом постоянного количества теплоты, введенной с топливом в камеру сгорания.
Произведены расчеты показателей процесса топливоподачи для смесевого топлива при постоянном количестве введенной теплоты 2,54 кДж, соответствующей сжиганию только дизельного топлива при номинальной цикловой подаче. Результаты расчетов представлены на рисунках 7.9.
Общая продолжительность впрыскивания при данных условиях практически не изменилась. Из рисунков 7.9 следует, что массовая и объемная цикловая подачи смеси возрастают. При этом массовая подача смеси возрастает в меньших пределах, чем при сохранении постоянного активного хода плунжера (рисунок 2). Среднее и максимальное давления впрыскивания возрастают в меньшей мере, чем при условии сохранения постоянной цикловой подачи смеси (рисунок 5). Активный ход плунжера снижается в меньших пределах, чем при сохранении постоянной массовой цикловой подачи смеси (рисунок 4).
Для практического использования наиболее ценными представляются результаты расчетов топливоподачи, выполненные при сохранении постоянным количества теплоты, введенной с топливом в камеру сгорания. Изменение массовой и объемной подачи смесевого топлива, а также регулировочного параметра ТНВД - активного хода плунжера при изменении объемной доли пальмового масла gпм в смеси для этого случая приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Изменение регулировочных параметров ТНВД при изменении объемной доли пальмового масла
Доля пальмового масла в смеси £пм Изменение массовой цикловой подачи смеси Изменение объемной цикловой подачи смеси Изменение активного хода плунжера
г % см3 % мм %
0 0,0000 0 0,0000 0 0 0,0000
0,1 0,0006 1,06024 0,0002 0,2243 0,02 1,0368
0,2 0,0013 2,12048 0,0003 0,4768 0,03 1,5552
0,3 0,0019 3,18072 0,0005 0,7580 0,038 1,9699
0,4 0,0025 4,24096 0,0008 1,0682 0,045 2,3328
0,5 0,0032 5,3012 0,0010 1,4081 0,054 2,7994
0,6 0,0038 6,36145 0,0013 1,7781 0,056 2,9031
Заключение. Применение смесевых топлив с использованием пальмового масла в дизелях с топливной аппаратурой разделенного типа не требует проведения дополнительных регулировок ТНВД с целью поддержания постоянной мощности дизеля, поскольку требуемое для этого изменение объемной цикловой подачи и активного хода плунжера при изменении доли пальмового масла в смеси до 60 % не превышает 3 %. Согласно требованиям стандартов: EN 41214,ЕШ90, (590:2000), DIN51606., Гост Р52368б и ASTM 6751-2002, эти отклонения лежат в допустимых пределах, что позволяет использовать смесевые топлива на основе пальмового масла.
Библиографический список
1. Альтернативные топлива для двигателей внутреннего сгорания [Текст]: учеб. пособие [Текст]/А. А. Александров; И. А. Архаров; В. А. Марков и др. - М.: ООО НИЦ «Инженер», ООО «Онико-М», 2012. - 791 с.
2. Вальехо, П.Р. Сравнительные испытания альтернативных топлив для дизельных двигателей [Текст]/ П.Р. Вальехо и др. // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». - 2014. - №6. - С. 596.
3. Ведрученко, В.Р. Влияние свойств разносортных топлив для дизелей на характеристики топливоподачи [Текст]/ В.Р. Ведрученко, В.В. Крайнов, П.В. Литвинов //Вестник СибА-ДИю - 2016. - Выпуск 2(48). - С. 44-49.
4. Грехов, Л.В. Конструкция, расчет и технический сервис топливоподающих систем дизелей [Текст]: учеб. пособие / Л.В. Грехов, И.И. Габитов, А.В. Неговора. - М.: Изд-во Легион - автодата, 2013. - 292 с.
5. Девянин, С. Н. Растительные масла и топлива на их основе для дизельных двигателей [Текст]/ С. Н. Девянин, В. А. Марков, В. Г. Семенов. - М.: Издательский центр ФГОУ ВПО МГАУ, 2008. - 340 с.
6. Лаборатория топливных систем МВТУ им. Баумана/ О программном комплексе «Впрыск» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://energy.bmstu.ru/e02/inject/i03rus.htm
7. Марков, В.А. Влияние состава смесевого биотоплива на параметры процесса впрыскивания топлива в дизеле [Текст]// Тракторы и сельхозмашины. - 2014. - №12. - С. 3-9.
8. Работа дизелей на нетрадиционных топливах [Текст]: учеб. пособие / В.А. Марков, А.И. Гайворонский, А. В. Грехов; Н. А. Иващенко. - М.: Изд-во «Легион-Автодата», 2008.- 464 с.
9. М. Song et al. Comparisons of NO emissions and soot concentrations from biodiesel -fuelled diesel engine //Fuel.-2012. № 96 - С. 446 - 453.
10. Januan J, Ellis N.perspectives on biodiesel as sustainable fuel. Renew sustain Energy Rev. 2010; 14:1312-20
References
1. Al'ternativnye topliva dlya dvigatelej vnutrennego sgoraniya [Tekst]: ucheb. posobie [Tekst]/A. A. Aleksandrov; I. A. Arharov; V. A. Markov i dr. - M.: OOO NIC "Inzhener", OOO "Oniko-M", 2012. - 791 s.
2. Val'eho, P. R. Sravnitel'nye ispytaniya al'ternativnyh topliv dlya dizel'nyh dvigatelej [Tekst]/ P. R. Val'eho i dr. // Vestnik MGTU im. N. Je. Baumana. Ser. "Mashinostroenie". - 2014. -№6. - S. 596.
3. Vedruchenko, V. R. Vliyanie svojstv raznosortnyh topliv dlya dizelej na harakteristiki top-livopodachi [Tekst]/ V. R. Vedruchenko, V. V. Krajnov, P. V. Litvinov //Vestnik SibADIyu - 2016. -Vypusk 2(48). - S. 44-49.
4. Grehov, L. V. Konstrukciya, raschet i tehnicheskij servis toplivopodayuschih sistem dizelej [Tekst]: ucheb. posobie / L. V. Grehov, I. I. Gabitov, A. V. Negovora. - M.: Izd-vo Legion - avtodata, 2013. - 292 s.
5. Devyanin, S. N. Rastitel'nye masla i topliva na ih osnove dlya dizel'nyh dvigatelej [Tekst]/ S. N. Devyanin, V. A. Markov, V. G. Semenov. - M.: Izdatel'skij centr FGOU VPO MGAU, 2008. -340 s.
6. Laboratoriya toplivnyh sistem MVTU im. Baumana/ O programmnom komplekse "Vprysk" [Jelektronnyj resurs]. - Rezhim dostupa: http://energy.bmstu.ru/e02/inject/i03rus.htm
7. Markov, V. A. Vliyanie sostava smesevogo biotopliva na parametry processa vpryskivaniya topliva v dizele [Tekst]// Traktory i sel'hozmashiny. - 2014. - №12. - S. 3-9.
8. Rabota dizelej na netradicionnyh toplivah [Tekst]: ucheb. posobie / V. A. Mar-kov, A. I. Gajvoronskij, A. V. Grehov; N. A. Ivaschenko. - M.: Izd-vo "Legion-Avtodata", 2008. -- 464 s.
9. M. Song et al. Comparisons of NO emissions and soot concentrations from biodiesel -fuelled diesel engine //Fuel. -- 2012. № 96 - S. 446 - 453.
10. Januan J, Ellis N.perspectives on biodiesel as sustainable fuel. Renew sustain Energy Rev. 2010; 14:1312-20
E-mail: [email protected]
