CC BY
28Регулирование ДВС методом изменения физико-химических свойств моторного топлива
Н.Н.Патрахальцев,
профессор Российского университета дружбы народов (РУДН), д.т.н.
В статье представлены результаты экспериментального исследования возможностей воздействия на протекание рабочего процесса дизеля оперативным, то есть во время работы дизеля, изменением физико-химических и моторных свойств топлива. Изменение свойств топлива достигается смешиванием основного дизельного с альтернативными топливами или различными горючими и негорючими добавками. Смешивание компонентов происходит практически в каналах форсунки с помощью клапана регулирования начального давления (РНД). Приведена систематизация задач, решение которых возможно данным методом, который назван методом «физико-химического регулирования» - ФХР.
Ключевые слова: дизель, физико-химическое регулирование, альтернативное топливо.
Regulation of Working Process of Diesel by Variation of Physical -Chemical Properties of Fuel
N.N. Patrakhaltsev
There presented some results of experimental research of opportunities to influence for working process of diesel by variation of physical - chemical properties of fuel during working of diesel. This effect is achieved by mixing diesel fuel with different alternative fuels and other inflammable and uninflammable additives. Process of mixing or blending of components of fuel takes place into canals of injector by means of special check - valve near the injector - the valve of regulation of pressure initial (RPI) of fuel. There presented systematization of problems, which may be solved by this method. Method is named «physical - chemical regulation» - PhChR.
Keywords: diesel, physical-chemical regulation, alternative fuels.
С определенной долей условности принцип физико-химического регулирования рабочего процесса дизеля относится к дизелям, работающим с «обогащением» воздуха на всасывании или вообще - с добавлением к воздуху различных горючих и негорючих веществ: воды, кислорода, водорода, отработавших газов
(рециркуляция ОГ). Однако в этом случае следует скорее говорить о регулировании физико-химических свойств горючей смеси (как и в ДВС с внешним смесеобразованием) - разновидности физико-химического регулирования двигателя [1].
Возможность реализации метода регулирования дизеля изменением
физико-химических свойств топлива возникла с появлением ряда систем топливоподачи, получивших название систем топливоподачи с регулированием начального давления топлива (РНД) [2]. Принцип работы систем этого типа заключается в следующем. С помощью различных клапанов, золотников, распределителей различные добавки, присадки вводятся в линии высокого давления топливных систем, где они смешиваются с основным топливом, а затем подаются в виде смесей, растворов, эмульсий в цилиндры двигателя.
Одним из наиболее эффективных методов регулирования может стать метод ввода в топливо водного или спиртового раствора химически активных (с каталитическим эффектом) солей различных металлов: Ва, Мп, Fe и т.д. [3]. В этом случае в цилиндры двигателя впрыскивается РТЭ - рас-творо-топливная эмульсия. Улучшая процессы смесеобразования - сгорания за счет присутствия воды или спирта и химического активатора процессов сгорания, такие вещества обеспечивают регулирование - улучшение показателей протекания рабочего процесса дизеля, прежде всего снижение дымности ОГ. Регулирование подачи раствора в топливо здесь целесообразно в зависимости от нагрузки и показателя дымности.
Отмечено, что в настоящее время очень трудно традиционными путями, направленными на улучшение процессов топливоподачи и воздухоснаб-жения, улучшить показатели работы дизеля, особенно если улучшение процесса должно быть связано одновременно со снижением токсичности и повышением экономичности. Одним из путей решения этой проблемы может быть применение в дизелях высококонцентрированных водно-топливных эмульсий (ВТЭ), приготовленных на базе дистиллятных топлив. Отмечено, что длительное время это направление совершенствования процессов смесеобразования - сгорания в дизелях считалось бесперспективным, так как вода и дистиллят-ное топливо не способны образовать устойчивую ВТЭ. Сегодня появилась
ЧИ СЯЯИР Ш «ер .ofifeBfab. Ш Ä
«Транспорт на альтернативном топливе» № 3 (15) май 2010 г.
возможность организации рабочего процесса, при котором эмульсия образуется во время процесса топливо-подачи в линиях высокого давления непосредственно перед впрыскиванием топлива в цилиндры благодаря тому, что сама форсунка является надежным диспергатором, обеспечивающим образование мелкодисперсной ВТЭ. Так что при условии надежной работы топливной аппаратуры задача в большей степени сводится к точной дозировке компонентов ВТЭ.
Следует отметить, что при подаче в дизель ВТЭ с 40% воды на номинальном режиме достигается снижение дымности ОГ в 2,0-2,5 раза, уменьшение выброса NOx с ОГ в два раза, снижение де (на 20-25%) и уменьшение выброса СО. Правда, на 15-20% возрастает Р2 и в два раза МР^ф)тах. Возможно, что основной причиной полученного эффекта является так называемое «вторичное» распыливание топлива, происходящее, как отмечено в ряде работ, за счет «микровзрывов» глобул (частичек) воды, содержащихся в каплях распыленного форсункой топлива и ведущих к вторичному дроблению топливной фазы. Автор придерживается мнения, что ВТЭ - это не просто продукт смешения двух веществ, а по существу новая субстанция с новыми свойствами, которые проявляются в условиях высоких температур и давлений в камере сгорания. Автор приходит к такому выводу на основании следующего выявленного факта: продолжительность впрыскивания ВТЭ возрастает (в сравнении с впрыскиванием дизельного топлива), задержка воспламенения растет, скорость и полнота сгорания также увеличиваются. Следует отметить, что этот факт не исключает возможности влияния именно «вторичного» распы-ливания. По моему мнению, на существующих дизелях целесообразно регулировать состав ВТЭ в зависимости от режимов работы.
Применение регулируемых по составу ВТЭ целесообразно для дизелей, работающих на высоковязких топли-вах. На современных, высокоэкономичных дизелях, использующих вязкие топлива, эффект от применения ВТЭ
достигается прежде всего на частичных режимах. Особенно эффективно применение ВТЭ на дизелях устаревших конструкций, использующих остаточные топлива или их смеси с дис-тиллятными. При этом важно создание устройств, систем для регулирования содержания воды в ВТЭ в зависимости от фактической нагрузки дизеля как по винтовой, так и по нагрузочной характеристикам. Отмечена проблема топливоподачи при использовании ВТЭ, связанная с возрастанием вязкости топлива с увеличением количества воды в ВТЭ и дисперсности эмульсии.
Если учесть, что эффективность сгорания при применении ВТЭ возрастает, несмотря на большую вязкость подаваемой эмульсии, то можно предположить, что не только химические процессы, но и процессы «вторичного» распыливания все же могут существовать.
Известно, что применение различных присадок к топливу позволяет улучшить некоторые качественные характеристики дизельных моторных топлив. С точки зрения воздействия на протекание рабочего процесса наиболее эффективно применение присадок, повышающих цетановое число топлива (ЦЧ), понижающих расход топлива, снижающих дымление двигателя.
К присадкам, повышающим ЦЧ топлива, относятся прежде всего органические нитраты: циклогек-силнитрат (С6Н^03), этилгексил-нитрат (С8Н^03), нитроалкены, 1-нитро-2-гексен и др. Кроме повышения ЦЧ, эти присадки уменьшают недогорание топлива, коксоотложение у сопла форсунки.
Присадки, понижающие расход топлива, по существу оптимизируют процесс сгорания или снижают механические потери. Например, присадка Ег^оНпе 1 растворяет твердые органические частицы, нагар, улучшает распыливание топлива, что приводит к снижению де примерно на 6%. Присадка Desolit D (Германия) содержит в своем составе эфиры и снижает де на 7%, уменьшает дымность и отложения нагара. Присадка Ферропикрат снижает д на 8-10% (в ее составе Fe
«работает» как катализатор). Присадки, содержащие Ва, Мп, Fe и другие каталитически активные вещества, увеличивают скорость сгорания, снижают дымность ОГ, а значит и выброс твердых частиц (ТЧ), уменьшают расход топлива (отмечено, что дымность ОГ на 35-60% определяется содержанием ТЧ в ОГ, причем 0,2% расходуемого топлива идет на создание ТЧ). Присадка 2% Айапе к топливу повышает на 5 ед. ЦЧ, улучшает распыливание, вдвое снижает дымность.
Обычно наиболее эффективно применение полифункциональных присадок, которые особо эффективны при использовании их на двигателях после длительной эксплуатации. Так, если без присадки выброс твердых частиц с ОГ после 30 тыс. км пробега составил 0,45 г/км, то при применении полифункциональной присадки - лишь 0,27 г/км, то есть сохранился на уровне нового двигателя.
Очевидно, что в зависимости от режимов работы двигателя изменяется потребность применения той или иной присадки, а с учетом высокой стоимости присадок целесообразно их применение периодически лишь на отдельных режимах. Так, на дизелях, оснащенных сажевыми фильтрами, целесообразно применять периодическую подачу каталитически активных присадок для регенерации фильтра (выжигания ТЧ при пониженных температурах). Таким способом рекомендуется применять Лубризол 8220 (в количестве 0,05% от расхода топлива), содержащий марганец. Здесь практически применяется физико-химическое регулирование - включение подачи присадки по сигналу о засоренности фильтра. Следует отметить, что применяемая в этом случае система отличается значительной сложностью (по существу, параллельная дополнительная система топливоподачи). Регулирование подачи присадки к топливу целесообразно также в случаях, когда находящиеся в присадке металлы образуют в цилиндре нежелательные оксиды (по возрастанию каталитической активности металлы можно
расположить в следующем порядке: РЬ, N1, Мд, Со, Си, Fe, Ва, Мп).
Одним из путей воздействия на повышение эффективности сгорания в дизелях является добавка к рабочему телу на впуске водорода (Н2), как продукта термохимической конверсии основного топлива, или, например, метанола. Такое регулирование процесса названо выше регулированием физико-химических свойств горючей смеси. Однако возможно осуществление добавки Н2 к самому топливу до его впрыскивания в цилиндры дизеля, то есть регулирование физико-химических свойств топлива. Возможны также равномерное насыщение дизельного топлива водородом в смесительной камере форсунки и последующий впрыск водородонасыщенного топлива в двигатель. Масса добавляемого водорода составляет около 0,1% цикловой массы топлива, то есть следует говорить не о замещении одного топлива другим и не о добавке одного топлива в другое, а о присадке химически активного вещества - водорода - к топливу.
В результате при впрыскивании такого топлива в цилиндр происходит изменение не только химических свойств образующейся смеси, но и физических - изменяется характер распыливания топлива. Подтверждением изменения физических свойств топлива могут быть результаты работ, где проведено насыщение топлива разными газами: воздухом, горючими газами, а также отработавшими газами [4]. Количество газа, добавляемого в топливо, составляло от 0,08% по массе или около 40-80% по объему. Исследование позволило сделать вывод о том, что основной эффект от насыщения топлива газом получается благодаря улучшению качества распыливания топлива, процессов смесеобразования (вторичное распылива-ние), то есть изменению прежде всего физических свойств топлива.
Принципиально изменение физико-химических свойств топлива применяется, когда происходит конвертирование дизеля на сорта утяжеленных топлив, например, биотоплива (рапсовое масло), тяжелые остаточные
топлива, к которым добавляют на ряде режимов низкооктановые бензины и т.д.
Значительное влияние на физико-химические свойства топлива оказывает добавка к нему спиртовых топлив. При введении спирта в дизельное топливо вблизи форсунки через клапан РНД в цилиндры дизеля впрыскивается спирто-топливная эмульсия (СТЭ) [5]. Очевидно, благодаря изменению качества распыли-вания («вторичное» распыливание), а также изменению других физических (вязкость, плотность, поверхностное натяжение, испаряемость и т.д.) и химических свойств (цетановое число, теплота сгорания, энергия активации и т.д.), происходит существенное снижение дымности ОГ, уменьшение выброса N0^ появляется возможность форсирования рабочего процесса по составу смеси а без превышения предела дымления и т.д. [6-8].
Одно из наиболее эффективных воздействий на протекание рабочего процесса дизеля оказывает сжиженный нефтяной газ (СПБТ) при добавке его к дизельному топливу с целью изменения физико-химических свойств моторного топлива [9]. Таким методом удается форсировать двигатель по среднему эффективному давлению на -10% и более при снижении удельного расхода топлива на -10% и без превышения заданного при работе на дизельном топливе предела дымления. При работе в условиях высокогорья такой метод регулирования рабочего процесса позволяет существенно компенсировать высокогорные потери мощности, экономичности, снизить дымность и токсичность выбросов.
Физико-химическое регулирование двигателей с искровым зажиганием
Задача разработки топлив с заданными физико-химическими свойствами для двигателей данной конструкции, с данными условиями эксплуатации и т.д. ставилась уже сравнительно давно. Такой подход к совершенствованию показателей работы ДВС был назван физико-химическим регулированием (ФХР), хотя,
строго говоря, в условиях эксплуатации свойства моторного топлива обычно не менялись. В то же время известно, что для разных режимов работы одного и того же двигателя целесообразно использовать топлива с разными свойствами. Для карбюраторных двигателей возможность регулирования свойств топлива (точнее, свойств горючей смеси) была реализована сравнительно простыми средствами, когда для повышения детонационной стойкости к основному бензину с пониженным октановым числом на режимах низких частот вращения коленчатого вала (КВ) двигателя и полных нагрузок стали применять присадку природного газа. В этом случае ставилась задача не максимального замещения бензина газом, а регулирования рабочего процесса двигателя.
Так, было предложено подавать в цилиндр двигателя бензогазовоздуш-ную смесь регулируемого состава (по количеству присадки газа) в соответствии с режимом работы ДВС. Добавка газа к основному топливу позволяет повысить полноту сгорания, снизить выбросы СН и СО с ОГ. Для снижения выбросов N0x газ подается в двигатель увлажненным благодаря добавке к нему некоторого количества ОГ. Конструктивное выполнение такой системы не вызывает трудностей, хотя очевидно, что определенную сложность представляет система, например, электронного регулирования подачи газа. Газ вводится как в основную топливную смесь после карбюратора, так и в воздух на впуске. Изменение физико-химических свойств топлива, а именно повышение октанового числа применяемого смесевого топлива, позволяет понизить «сортность» базового топлива и качество основного получаемого смесевого топлива, либо при применении штатного топлива - повысить конструктивную степень сжатия и снизить удельный расход топлива (на 8-10% при сохранении основных эксплуатационных показателей). Особенно важно, что при применении присадки газа можно отказаться от использования свинца в топливе
(антидетонационных присадок к топливу), что весьма существенно (на 15-20%) снижает суммарную токсичность двигателя.
Очевидно, что в данном случае применен метод физико-химического регулирования, так как количество присадки газа варьируется в соответствии с режимом работы двигателя.
Аналогичный метод повышения детонационной стойкости смеси применяется, когда соответствующая присадка вводится в топливо (или в готовую горючую смесь) лишь на режимах максимальной вероятности детонационного сгорания, то есть на режимах низких частот вращения КВ двигателя и полных нагрузок. В этом случае регулирование физико-химических свойств топлива сводит к минимуму загрязнение окружающей среды токсичными компонентами присадки, снижает стоимость необходимой присадки, повышает надежность и долговечность двигателя в связи с уменьшением вероятности отложения присадки на электродах свечей зажигания.
В качестве метода регулирования бензинового двигателя предложено перерабатывать часть топлива для получения водорода и затем добавлять этот водород к горючей бензо-воздушной смеси. Полученная таким образом смесь надежно воспламеняется и сгорает вне зависимости от ее первоначального состава (а). В этом случае отпадает необходимость в регулировании состава смеси в зависимости от режимов работы двигателя. А характеристики двигателя будут определяться закономерностью подачи топлива в двигатель и генератор водорода. Так, предложено вводить водород в цилиндры двигателя в конце процесса сжатия в зону электродов свечи зажигания в небольших количествах (0,0012-0,0045 кг/ч, то есть 0,1-1,5% от расхода бензина). Водород может храниться или генерироваться в таких количествах на борту автомобиля. Задача использования водорода - увеличить теплоту, выделяемую в ходе химических реакций, с тем, чтобы совместно с теплотой, вводимой в заряд смеси искровым разрядом,
увеличить общее количество теплоты и тем самым сделать процесс воспламенения более стабильным. Водород в таком случае выполняет роль энергонасыщенной добавки, ускоряющей горение. Причем именно благодаря наличию водорода вблизи электродов достигается наибольший эффект от его добавки.
Положительное влияние подачи водорода в межэлектродный зазор наблюдается до эффективного давления в камере сгорания, не превышающего 0,4 МПа, то есть на режимах, характерных для городской езды. Оно проявляется в расширении пределов доступного обеднения смеси и снижении удельного эффективного расхода топлива. Так, на режимах холостого хода двигатель устойчиво работает при а = 1,4, а при Ре = 0,2 МПа устойчивость отмечается при а = 1,2. При этом расход топлива снижается на 10%, а на холостом ходу - на 33%. При повышенных нагрузках двигатель работает обычным порядком. В дизелях проводить физико-химическое регулирование значительно сложнее, что определяется конструктивными особенностями системы топ-ливоподачи.
Применимость метода физико-химического регулирования
В целях выбора путей расширения ресурса топ-лив ведутся исследования возможности применения различных добавок к топливу. При этом в значительных пределах варьируются физико-химические свойства топлив и раскрываются возможности изменения характеристик протекания процессов сгорания в дизеле путем изменения состава топлив. Известны предложения о регулировке протекания процесса сгорания в дизеле путем оптимизации компонентного состава
топлива. Иначе говоря, предложена физико-химическая регулировка процесса сгорания в дизеле оптимизацией состава топлива.
В области двигателей с воспламенением от искры уже поставлена задача использования метода регулирования октанового числа топлива в зависимости от частоты вращения КВ двигателя, нагрузки и т.д. во время работы двигателя. Возможность изменения состава топлива добавкой к основному дизельному топливу утяжеленного фракционного состава (УФС) спиртов, бензинов, воды и т.д. во время работы двигателя реализуется с помощью специальных топливных систем, однако, большинство из них обладает значительной инерционностью (системы с вводом компонентов на линии всасывания в топливный насос высокого давления) либо существенной сложностью (системы с двумя насосами, двумя форсунками и другие). Решение задачи физико-химического регулирования дизеля становится возможным после разработки метода и средств
Рис. 1. Характеристики теплоиспользования (%), скорости теплоиспользования давления газов (Рг), скорости
изменения давления ^Р^ф) и температуры (Т) в цилиндре
при работе на разных топливах: 1 - на ДТ с добавкой 30% синтетических парафиновых углеводородов; 2 - на ДТ + 30% бензина А-76; 3 - на ДТ + 30% этанола [5, 14, 15]
0,045
0.015
-20 ВМТ 20
Рис. 2. Характеристики теплоиспользования (%), скорости теплоиспользования давления
газов (Рг), скорости изменения давления ^Р^ф) и температуры (Т) в цилиндре при работе на разных топливах:
1 - на дизельном топливе (ДТ); 2 - на ДТ с добавкой 10% сжиженного нефтяного газа; 3 - на ДТ с добавкой 10% аммиака [3, 9]
оперативного изменения компонентного состава топлив путем добавки к основному топливу различных добавок в линию высокого давления (ЛВД) перед форсункой или в ее каналы.
Анализ моторных свойств топлив с введением в них различных добавок и их влияния на протекание рабочего процесса проведен на установке ИДТ-69 определения цетановых чисел топлив (вихрекамерный дизель 148,5/11,5, частота вращения КВ двигателя - 900 мин-1, степень сжатия - 17), оборудованной средствами регистрации индикаторной диаграммы (индикатор МАИ-2), необходимыми датчиками и измерителями расходов [5]. Топливная аппаратура установки выполнена с подключением к ее ЛВД источника с добавкой через указанный обратный клапан РНД. Инерционность системы топливопо-дачи проверена путем определения числа циклов, необходимых после начала подачи данного вещества через клапан РНД для достижения стабильных значений Рг определяемых
по индикатору вспышек. Исследование показало, что переходный процесс замещения в каналах форсунки дизельного топлива смесевым составляет 5-8 циклов. Исследование проведено методом сравнительного анализа протекания процесса при работе на чистом дизельном топливе (ДТ) и топливе с разными добавками. В качестве добавок к ДТ использованы этанол, бензин А-76, легкие синтетические парафиновые углеводороды (ЛСПУ), вода, водные растворы ряда веществ, обладающих каталитическим действием (неорганические, нерастворимые в углеводородном топливе соли ряда металлов, например, ВаС12), аммиак, сжиженный нефтяной газ, количество которых варьировалось от нуля до 50% от всей цикловой подачи топлива. Кроме того, проведено исследование возможности воздействия на протекание рабочего процесса дизеля растворением в топливе воздуха и природного газа, подаваемых в ЛВД через клапан РНД в количестве до 30% (объемных). Эксперименты проведены на одном скоростном режиме при постоянстве энергоемкости подачи топлива, эквивалентной расходу ДТ, равному 13 мл/мин. Для исключения влияния на результаты исследования переменности начального давления в ЛВД при подаче в нее 10-50% жидкой добавки сравнение проведено с протеканием процесса на ДТ, когда аналогичное количество ДТ, то есть 10-15%, подавалось через клапан РНД.
На рис. 1 сопоставлены характеристики изменения давления Рг в цилиндре дизеля, темпе-
ратуры Т, жесткости процесса dP/dф, а также характеристики £ и скорости dí/dф теплоиспользования при добавке к ДТ 30% ЛСПУ, бензина А-76 или этанола, то есть легких невязких компонентов с высокой (ЛСПУ, А-76) или низкой (этанол) теплотой сгорания, высоким (ЛСПУ) или низким (этанол, А-76) цетановым числом, высокой или сравнительно низкой (А-76, ЛСПУ) теплотой испарения.
Присадка к топливу 10% этанола увеличивает период задержки воспламенения. Скорость теплоис-пользования в первой фазе сгорания при этом резко возрастает. Увеличение доли этанола свыше 20% увеличивает задержку воспламенения на 2-3° поворота коленчатого вала (п.к.в.).
Добавка к ДТ этанола приводит к росту максимальной жесткости, которая в два раза превышает жесткость работы на ДТ. Момент достижения £тах при работе на топливе со спиртом смещается дальше за ВМТ на 1015° п.к.в. На характеристиках видно влияние высокой теплоты испарения спирта при значительном увеличении его количества в подаче. Добавка к дизельному топливу 10, 30, 50%
Рис. 3. Характеристики теплоиспользования (%), скорости теплоиспользования давления (Рг) и скорости изменения давления ^Р^ф)
в цилиндре дизеля: 1 - при работе на дизельном топливе; 2 - на ДТ с растворенным в нем воздухом (30% объемн.); 3 - на ДТ с растворенным в нем газом (30%) [4, 5]
ш
^СоциК***
этанола снижает цетановое число смеси с 45 до 42, 36, 32 ед. соответственно.
При низком проценте добавки к ДТ бензина А-76 уменьшение на 0,5° периода задержки воспламенения происходит, очевидно, благодаря «физической» части периода задержки. С ростом процента добавки задержка воспламенения увеличивается в соответствии с уменьшением цетанового числа. Максимальная скорость тепло-использования в первой фазе сгорания и жесткость сгорания растут, но не так существенно, как в случае со спиртом. Добавка бензина увеличивает полноту сгорания, увеличивает £тах до 0,64 (вместо 0,6 на ДТ), причем момент его достижения смещается ближе к в.м.т., в отличие от работы с этанолом.
Добавка к ДТ ЛСПУ (с составом по углероду от С5 до С10, обладающим высокими, до 65 ед., цетановыми числами) приводит к уменьшению периода задержки воспламенения на 2-3° п.к.в., при этом М£^ф)тах первой фазы несколько снижается или значительно превышает аналогичный параметр
цикла работы на ДТ, £тах повышается до 0,63, а момент его достижения смещается ближе к в.м.т. Варьирование указанных добавок меняет период задержки воспламенения от -3° до +9° п.к.в., жесткость сгорания и скорость теплоиспользования - до 30% и 100% соответственно, абсолютное теплоиспользование - на 5-6% и момент достижения £тах - на 10-20° п.к.в. Добавка ЛСПУ до 50% увеличивает це-тановое число смеси до 53 ед.
На рис. 2 сравниваются характеристики сгорания, параметры температур и давления для вариантов подачи в ДТ 15% аммиака и сжиженного газа. Видно, что сжиженный газ существенно (на 2-2,5° п.к.в.) смещает начало сгорания ближе к началу впрыскивания, а NH3 - наоборот, увеличивает задержку на 6-7°. Сжиженный газ даже при таком раннем начале сгорания увеличивает №Р^ф)тах на 10-15% и №^ф)тах на 2025%. В этом случае несколько растет Рг цикла, причем цикл относительно ВМТ занимает оптимальное положение: ф2 = 2-3°. Работа на топливе с аммиаком в 1,5 раза увеличивает максимальную
Рис. 4. Схематическое представление основных целей, достижение которых возможно методом физико-химического регулирования на основе применения альтернативных топлив
жесткость цикла, несколько увеличивает £тах при сохранении момента его достижения.
Определенные возможности воздействия на процесс сгорания выявились при подаче в ЛВД природного газа (в газовой фазе) и атмосферного воздуха (рис. 3).
В приведенном случае воздух был нагрет до 60°С, подача воздуха и газа производилась путем простого всасывания их через клапан РНД. Можно предположить, что газ или воздух, поступившие в ЛВД, растворяются в ДТ при повышении его давления, а затем при впрыске в цилиндр и резком падении давления вновь выделяются, разрушая капли топлива, интенсифицируя процесс смесеобразования (влияние изменения местного коэффициента избытка воздуха вряд ли можно считать существенным ввиду малости весового количества воздуха, поданного в ЛВД).
Присадка воздуха к топливу интенсифицирует первую фазу взрывного горения, добавка газа существеннее сказалась на росте максимальной скорости диффузионного сгорания, что объясняется, очевидно, лучшей растворимостью газа в топливе и худшей его дегазацией (выделением из раствора). Протекание рабочего цикла при такой организации процесса смесеобразования характеризуется сравнительно небольшим увеличением жесткости. Для восстановления оптимальности цикла по экономичности необходимо уменьшение угла опережения впрыска на 2° п.к.в. Присадка к ДТ 30% объемных воздуха или газа снижает дымность ОГ с 7,5 до 7,0-7,1 ед. Бош.
Анализ протекания рабочего процесса дизеля при добавке к ДТ раствора катализатора (в первоначальном варианте исследования - хлорида бария), а также воды (для обеспечения сравнительности исследований) показал следующее. Добавка к ДТ 20% двухпроцентного раствора ВаС12 способствует уменьшению периода задержки воспламенения на величину до 2-3° п.к.в., а также значительному снижению дымности с 7,5 до 5,2 ед. Бош. Интенсивность теплоиспользования при этом меняется мало, а £ и угол его
' ^тах '
достижения не меняется. Добавка к
ДТ 10-20% водного раствора двухпроцентного ВаС12 увеличивает цетановое число топлива с 45 до 48 ед., а такая же добавка воды повышает ЦЧ лишь до 46 ед. Причем добавка воды более 30% снижает ЦЧ, в то время как добавка раствора хлорида бария вплоть до 50% от цикловой подачи топлива поддерживает ЦЧ выше исходного уровня.
Уже сейчас можно перечислить основные цели, достижение которых возможно регулированием рабочего процесса двигателя изменением физико-химических свойств топлива (физико-химическое регулирование - ФХР) на основе добавок к основному топливу различных альтернативных топлив и других добавок, превращающих исходное топливо в альтернативное [1, 2]:
1. Снижение дымности отработавших газов [9].
2. Снижение токсичности выбросов [3, 4].
3. Повышение топливной экономичности [5].
4. Экономия нефтяного традиционного топлива путем замещения его альтернативным [5].
5. Длительное форсирование двигателя по мощности [9].
6. Кратковременное форсирование по мощности - «форсаж» [7].
7. Повышение эффективности пуска дизеля в особых условиях [11].
8. Повышение эффективности работы в условиях высокогорья [6].
9. Улучшение моторных свойств основного топлива [14].
10. Утилизация различных горючих отходов [10, 15].
11. Повышение эффективности технического обслуживания [13].
12. Продление моторесурса дизеля, находящегося в эксплуатации [8, 13].
13. Повышение эффективности системы нейтрализации вредных выбросов [3, 4].
14. Повышение эффективности неустановившихся режимов работы [7].
15. Снижение жесткости и шум-ности сгорания и проч. [5].
Перечень этих целей наглядно можно представить в виде схемы, показанной на рис. 4.
Литература
1. Патрахальцев Н.Н. Физико-химическое регулирование дизеля. - Материалы междунар. науч. техн. конф. «Двигатель - 97», М., 1997. - 98 с.
2. Патрахальцев Н.Н., Шкаликова В.П. Применение клапана регулирования начального давления в топливной системе дизеля для подачи различных топливных добавок к основному топливу. - Вестник РУДН. Сер. «Инженерные исследования», 2005, № 1 (11). - С. 66-68.
3. Куцевалов В.А., Панчишный В.И., Патрахальцев Н.Н. Возможности совершенствования рабочего процесса дизеля введением каталитических неорганических веществ в камеру сгорания. - Двигателестроение, 1988, № 9. - С. 8-10.
4. Патрахальцев Н.Н., Санчес Л.В., Мазинг М.В. Возможности совершенствования эколого-экономических показателей дизелей насыщением топлива воздухом. - Известия ВУЗов. Машиностроение, 1995, № 1. - С. 65-73.
5. Патрахальцев Н.Н., Санчес Л.В., Шкаликова В.П. О возможности расширения ресурса дизельных топлив и регулирования рабочего процесса дизеля изменением состава топлива. - ДВС. Республиканск. межвед. науч.-технич. сб. Харьков. Вища школа. 1988. Вып. 48. - С. 73-79.
6. Патрахальцев Н.Н., Ластра Л.А., Качо Г.Л. Альтернативный метод повышения эффективности работы дизеля в условиях высокогорья форсировкой рабочего процесса по составу смеси. - Известия ВУЗов. Машиностроение, 1995, № 4-6. - С. 38-45.
7. Патрахальцев Н.Н., Бадеев А.А., Русинов А.Р. Возможности форсажа дизеля при ограничении дымности выбросов. - Строительные и дорожные машины, 2007, № 5. - С. 40-42.
8. Патрахальцев Н.Н., Соболев И.А., Силин Е.Л. Повышение динамических качеств автотракторного дизеля изменением физико-химических свойств топлива. - Автомобильная промышленность, 2008, № 7. - С. 10-13.
9. Патрахальцев Н.Н., Виноградский В.Л., Ластра Л.А. Корректирование скоростных характеристик дизеля добавлением в топливо сжиженного нефтяного газа. - Строительные и дорожные машины, 2002, № 4. - С.22-23.
10. Патрахальцев Н.Н., Горбунов В.В., Берро М.Б. Сжигание отработанного масла в цилиндрах дизеля. - Строительные и дорожные машины, 1992, № 4.
- С. 23-25.
11. Патрахальцев Н.Н., Фомин А.В., Бадеев А.А. Повышение эффективности пуска дизельного двигателя в условиях низких температур. - Строительные и дорожные машины, 2006, № 3. - С. 14-17.
12. Патрахальцев Н.Н., Виноградский В.Л., Пономарев М.Н. Повышение динамических и экологических качеств дизеля при его регулировании изменением физико-химических свойств топлива. - Вестник РУДН, 2003, № 1.
- С. 22-26.
13. Патрахальцев Н.Н., Виноградский В.Л., Ластра Л.А. Повышение эксплуатационных свойств дизеля изменением физико-химических свойств топлива. - Строительные и дорожные машины, 2004, № 12. - С. 32-34.
14. Азев В.С., Газарян Г.Т., Лапидус А.Л. и др. Особенности применения в автотракторном дизеле утяжеленных топлив с добавкой легких синтетических парафиновых углеводородов. - Двигателестроение, 1990, № 6. - С. 24, 33-36.
15. Патрахальцев Н.Н., Сааде Ю.Ж. Способ организации рабочего процесса спиртодизеля. - Известия ВУЗов. Машиностроение, 1993, № 7-9. - С. 105-109.
