CC BY
68
УДК 621.436
А. В. ЗОНОВ
ВЛИЯНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ЭТАНОЛО-ТОПЛИВНОЙ ЭМУЛЬСИИ И ПРИРОДНОГО ГАЗА НА ЭФФЕКТИВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ДИЗЕЛЕЙ 4Ч 11,0/12,5 И 4ЧН 11,0/12,5 С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ НАДДУВОЧНОГО ВОЗДУХА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ УСТАНОВОЧНОГО УГЛА ОПЕРЕЖЕНИЯ ВПРЫСКИВАНИЯ ТОПЛИВА
Ключевые слова: дизельный двигатель, природный газ, промежуточное охлаждение надувочного воздуха, токсичность, угол опережения впрыскивания топлива, этанол, этаноло-топливная эмульсия.
Аннотация. В статье приведены результаты исследований по влиянию применения этаноло-топливной эмульсии и применения природного газа на эффективные показатели дизеля 4Ч 11,0/12,5 и 4ЧН 11,0/12,5 с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха в зависимости от изменения установочного угла опережения впрыскивания топлива.
В данной статье рассмотрено влияние применения этаноло-топливной эмульсии (ЭТЭ) на эффективные показатели дизеля 4Ч 11,0/12,5 и влияние применения природного газа (ПГ) на эффективные показатели дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха в зависимости от изменения установочного угла опережения впрыскивания топлива. Для каждого двигателя при работе на альтерантивном топливе получены регулировочные характеристики со снятием и обработкой ряда нагрузочных характеристик, подобрано оптимальное значение установочного угла опережения впрыскивания топлива. Статья содержит результаты исследований, проведенных на двигателях 4Ч 11,0/12,5 при работе на альтернативном топливе - этаноло-топливной эмульсии (ЭТЭ) и 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе (ПГ) с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха. Представлены экспериментальные и расчетно-теоретические исследования мощностных и эффективных показате-
© Зонов А. В., 2014
лей дизелей, работающих на альтенативных топливах (ЭТЭ и ПГ).
Рабочие процессы дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на этаноло-топливной эмульсии (ЭТЭ) и дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с принудительным охлаждением наддувочного воздуха (ПОНВ) при работе на природном газе (ПГ) исследованы в соответствии с целью, задачами исследований и методикой, проведены стендовые испытания [3, 4, 5, 6].
Регулировочные характеристики для определения эффективных показателей дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения установочного угла опережения впрыскивания топлива (УОВТ) при работе дизеля на дизельном топливе (ДТ) и на ЭТЭ на номинальной частоте вращения коленчатого вала (п = 2200 мин -1) и на частоте вращения максимального крутящего момента (п = 1700 мин -1) представлены на рисунке 1 [1, 2].
Рассматривая показатели работы двигателя на ДТ на номинальной частоте вращения (п = 2200 мин -1, ре = 0,64 МПа) при работе дизеля на установочном УОВТ 0впр д = 20° до в.м.т., при постоянном часовом расходе ДТ вТ = 13,4 кг/ч, эффективная мощность N составляет 53,8 кВт, а значение удельного эффективного расхода ДТ ge составляет 240 г/(кВтч). При увеличении установочного УОВТ до 0впр д = 23° до в.м.т. эффективная мощность N увеличивается до значения 55,8 кВт, при этом значение удельного эффективного расхода ДТ ge снижается до 238 г/(кВтч.), т. е. на 0,83 %. При увеличении установочного УОВТ до 0впр д = 26° до в.м.т. эффективная мощность N уменьшается до значения 55,0 кВт, при этом значение удельного эффективного расхода ДТ ge увеличивается до 243 г/(кВтч.), т. е. на 1,25 %. При дальнейшем увеличении установочного УОВТ до 0впр д = 29° до в.м.т. происходит снижение эффективной мощности N до значения 53,6 кВт, при этом значение удельного эффективного расхода ge увеличивается до 255 г/(кВт ч), т. е. на 6,25 %. Рассматривая графики N<5, вт, и ge, можно отметить, что при работе двигателя на ДТ установочный УОВТ при частоте вращения п = 2200 мин1 по условию наилучшей экономичности равен 23° до в.м.т. Этот установочный УОВТ рекомендован заводом-изготовителем для обеспечения лучших мощностных, экономических и экологических показателей автомобильного двигателя 4Ч 11,0/12,5 в качестве оптимального.
Рассматривая показатели работы дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе дизеля на ЭТЭ на номинальной частоте вращения (п = 2200 мин -1, ре = 0,64 МПа), можно отметить, что при работе дизеля на установочном УОВТ 0впр гд = 20° до в.м.т., при постоянном суммарном часовом расходе топлива вТ ^ = 11,0 кг/ч эффективная мощность N составляет 55,2 кВт, а значение суммарного удельного эффективного расхода
топлива geт = 202,0 г/(кВтч). ГМе, кВт
56 48 40
Ее. г/(кВтч)
260
240
220
200 180
2200
~--
\ 1700
в ДТ
. 2200
/
\
^ДТ прив. \ 1700
ёе ДТ -V
/ N \ 2200
1700 / / ёеДТ прив. Л ---
N г — -- ---
Ст, кг/ч 14 12 10 8
20
23
26
29 0впр, град
Рисунок 1 - Влияние применения ЭТЭ на эффективные показатели дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения установочного УОВТ при п = 2200 мин -1, ре = 0,64 МПа, и п = 1700 мин -1, ре = 0,69 МПа: --дизельный процесс,----ЭТЭ
При увеличении установочного УОВТ до 0впр гд = 23° до в.м.т. эффективная мощность N увеличивается до значения 55,8 кВт, при этом значение суммарного удельного эффективного расхода топлива ge х снижается до 200,0 г/(кВтч), т. е. на 1,0 %. При увеличении установочного УОВТ до 0впр гд = 26° до в.м.т. происходит снижение эффективной мощности ^ до значения 54,4 кВт, при этом значение суммар-
ного удельного эффективного расхода топлива ge х увеличивается до 207,5 г/(кВтч), т. е. на 2,7 %. При дальнейшем увеличении установочного УОВТ до 0впр гд = 29° до в.м.т. происходит снижение эффективной мощности до значения 52,0 кВт, при этом значение суммарного удельного эффективного расхода топлива ge х увеличивается до 216,0 г/(кВтч), т. е. на 7,0 %. Снижение суммарных значений часового расхода вТ х и удельного расхода ge х топлива при работе дизеля на всех установочных УОВТ на ЭТЭ по сравнению с работой на ДТ объясняется большим значением теплоты сгорания ЭТЭ. Из анализа графиков N<5, вт, и ge следует, что при работе дизеля на ЭТЭ оптимальный установочный УОВТ при частоте вращения п = 2200 мин по условию наилучшей экономичности равен 23° до в.м.т.
Анализируя графики работы дизеля 4Ч 11,0/12,5 на частоте вращения коленчатого вала, соответствующей режиму максимального крутящего момента (п = 1700 мин при ре = 0,69 МПа) при работе дизеля на ДТ, можно отметить, что при постоянном значении часового расхода ДТ вТ = 11,1 кг/ч при работе с установочным УОВТ 0впр д = 20° до в.м.т. эффективная мощность N составляет 47,5 кВт, при удельном расходе ДТ ge = 237 г/(кВтч). При увеличении установочного УОВТ до 0впр д = 23° до в.м.т. эффективная мощность N уменьшается до значения 47,0 кВт, а величина удельного расхода ДТ ge снижается и составляет 236 г/(кВтч). Уменьшение значения ge составляет 0,43 %. При увеличении установочного УОВТ до 0впр д = 26° до в.м.т. эффективная мощность N уменьшается до значения 46,2 кВт, а величина удельного расхода ДТ ge повышается и составляет 239 г/(кВтч). Увеличение значения ge составляет 0,85 %. При дальнейшем увеличении установочного УОВТ до 0впр д = 29° до в.м.т. эффективная мощность N снижается до значения 45,6 кВт, а величина удельного расхода ДТ ge увеличивается и составляет 244 г/(кВтч). Увеличение ge составляет 3,00 %.
Рассматривая показатели работы дизеля 4Ч 11,0/12,5 на частоте вращения максимального крутящего момента (п = 1700 мин -1, ре = 0,69 МПа) при работе дизеля на ЭТЭ, можно отметить, что при установочном УОВТ 0впр гд = 20° до в.м.т., при постоянном суммарном часовом расходе топлива вТ х = 8,8 кг/ч эффективная мощность N составляет 46,0 кВт. Значение суммарного удельного эффективного расхода топлива ge х при данной мощности составляет 195,0 г/(кВтч). При увеличении установочного УОВТ до 0впр гд = 23° до в.м.т. эффективная мощность увеличивается до значения N = 46,5 кВт, а величина суммарного удельного эффективного расхода топлива ge х снижается и составляет 193,5 г/(кВтч). Уменьшение значения ge составляет 0,77 %.
При увеличении установочного УОВТ до 0впр д = 26° до в.м.т. эффективная мощность уменьшается до значения 45,5 кВт, а величина удельного расхода ДТ ge повышается и составляет 201,0 г/(кВтч). Увеличение значения ge составляет 3,10 %. При дальнейшем увеличении установочного УОВТ до 0впр гд = 29° до в.м.т. эффективная мощность снижается до значения N = 43,5 кВт, а величина суммарного удельного эффективного расхода топлива ge Е увеличивается и составляет 209,0 г/(кВтч). Увеличение значения ge составляет 7,18 %. При частоте вращения, соответствующей максимальному крутящему моменту (п = 1700 мин -1, ре = 0,69 МПа), сохраняется характер изменения кривых эффективной мощности и удельного эффективного расхода топлива, установленный для номинальной частоты вращения двигателя.
Из анализа кривых регулировочной характеристики по установочному УОВТ следует, что для всех режимов работы дизеля, исходя из минимального удельного расхода топлива ge, при работе дизеля на ДТ оптимальным является установочный УОВТ 0впр д = 23° до в.м.т., а при работе дизеля на ЭТЭ 0впр гд = 23° до в.м.т. При работе дизеля на более ранних УОВТ при работе дизеля на ЭТЭ на режимах, близких к номинальным нагрузкам, значение «жесткости» работы двигателя превышает норму, установленную заводом-изготовителем, т. е. ^рМф)тах составляет более 1,0 МПа/град. При работе дизеля на более поздних установочных УОВТ на режимах номинальной нагрузки происходит интенсивное повышение температуры охлаждающей жидкости, следствием чего является перегрев двигателя.
Далее рассмотрим влияние применения природного газа (ПГ) на эффективные показатели дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ в зависимости от изменения установочного УОВТ. На рисунке 2 представлено изменение мощностных и экономических показателей дизеля в зависимости от изменения установочного УОВТ при работе на ДТ и ПГ на частотах вращения коленчатого вала 2400 мин-1 (номинальный скоростной режим) и 1700 мин-1 (режим максимального крутящего момента). Характеристики снимались для определения оптимального значения установочного УОВТ исходя из минимальной величины удельных эффективных расходов ДТ и ПГ. Регулировочная характеристика строилась после снятия и обработки нескольких нагрузочных характеристик, снятых на различных установочных УОВТ. При этом для построения брались точки N<5, ge и ge Е из нагрузочных характеристик с равными значениями часового расхода топлива вТ согласно ГОСТа.
Рассмотрим графики работы дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ на ДТ на номинальной частоте вращения коленчатого вала.
Рисунок 2 - Влияние применения ПГ на эффективные показатели двигателя 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ в зависимости от изменения установочного УОВТ:--дизельный процесс,----- газодизельный процесс
Видим, что при постоянном значении часового расхода ДТ вТ = 21 кг/ч максимальная мощность N = 90,0 кВт достигается при установочном УОВТ 0впр д = 9°, что совпадает с установочным УОВТ, рекомендованным заводом-изготовителем в качестве оптимального для данного двигателя. При этом значение удельного расхода ДТ составляет ge = 227 г/кВтч. При уменьшении установочного УОВТ до ©впр д = 7°, при постоянном часовом расходе ДТ вт эффективная мощность снижается до значения N = 88,3 кВт, при этом значение удельного расхода ДТ составляет ge = 232 г/кВтч. Увеличение значения ge составляет 2,2 %. При увеличении установочного УОВТ до 0впр д = 11° эффективная мощность также снижается до значения N = 88,3 кВт, при том же значении удельного расхода ДТ ge = 232 г/кВтч.
Если рассматривать графики работы дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ на ПГ на номинальной частоте вращения коленчатого вала, то можно отметить, что при постоянном суммарном часовом расходе ДТ и ПГ ОТ х = 18,8 кг/ч максимальная мощность Н, = 90,0 кВт достигается уже при установочном УОВТ 0впр гд = 7°. При этом значение удельного суммарного расхода топлива составляет ge х = 208 г/кВтч. Снижение значений часового расхода и удельного расхода топлива по сравнению с работой на ДТ объясняется большим значением теплоты сгорания ПГ. При уменьшении установочного УОВТ до 0впр гд = 5°, при постоянном часовом расходе суммарного топлива ОТ х эффективная мощность снижается до значения Не = 86,0 кВт. При этом значение удельного расхода топлива ge х = 218 г/кВтч. Увеличение значения ge х составляет 4,8 %. При увеличении установочного УОВТ до 0впр гд = 9° эффективная мощность снижается до значения Н, = 88,0 кВт, а значение удельного расхода топлива повышается до ge х = 210 г/кВтч. Увеличение значения ge х составляет 1,0 %.
При рассмотрении графиков работы дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ на ДТ на частоте вращения коленчатого вала, соответствующей режиму максимального крутящего момента (п=1700 мин-1), можно отметить, что при постоянном значении часового расхода ДТ ОТ = 14,6 кг/ч максимальная мощность Не = 69,5 кВт достигается при установочном УОВТ 0впр д = 9°, как и на режиме номинальной мощности. При этом значение удельного расхода ДТ составляет ge = 202 г/кВтч. При уменьшении установочного УОВТ до 0впр д = 7° и постоянном часовом расходе ДТ От эффективная мощность снижается до значения Н, = 66,5 кВт. При этом значение удельного расхода ДТ ge = 209 г/кВтч. Увеличение значения ge составляет 3,5 %. При увеличении установочного УОВТ до 0впр д = 11° эффективная мощность также снижается до значения Н, = 66,0 кВт, а величина удельного расхода ДТ составляет ge = 208 г/кВтч. Увеличение значения ge составляет 3,0 %.
Если рассматривать графики работы дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ на ПГ на частоте вращения коленчатого вала, соответствующей режиму максимального крутящего момента (п=1700 мин-1), то видим, что при постоянном значении часового расхода суммарного топлива От х = 13,4 кг/ч максимальная мощность Н, = 69,5 кВт достигается при установочном УОВТ 0впр гд = 7°, как и на режиме номинальной мощности. При этом значение удельного расхода суммарного топлива составляет ge х = 191 г/кВтч. При уменьшении установочного УОВТ до 0впр гд = 5° и постоянном часовом расходе суммарного топлива ОТ х эффективная мощность снижается до значения Н, = 64,5 кВт, значение
удельного расхода суммарного топлива при этом составляет ge х = 203 г/кВтч. Увеличение значения ge х составляет 6,3 %. При увеличении установочного УОВТ до 0впр гд = 9° эффективная мощность снижается до значения N = 64,5 кВт. Значение ge х при этом равно 203 г/кВтч. Увеличение значения ge х относительно оптимального значения установочного УОВТ составляет 6,3 %.
Таким образом, анализируя регулировочную характеристику по установочному УОВТ, можно отметить, что для всех режимов работы дизеля, исходя из минимального удельного расхода топлива ge, при работе на ДТ оптимальным является установочный УОВТ 0впр д = 9°, а при работе на ПГ 0впр гд = 7°. Также нужно учитывать, что высокофорсированные дизели очень чувствительны к установочному УОВТ. При установке более ранних УОВТ как при работе на ДТ, так и при работе на ПГ на режиме максимальной нагрузки значительно увеличивается «жесткость» работы двигателя, что сопровождается стуками в цилинд-ро-поршневой группе. При установке более поздних УОВТ, наблюдается недопустимое повышение температуры охлаждающей жидкости двигателя, что может привести к перегреву дизеля.
Обобщая исследования данных дизелей, можно сделать вывод, что применение альтернативных топлив (этанола и природного газа) позволяет улучшить экологическую обстановку путем снижения выброса токсичных компонентов в отработавших газах как в России, так и во всем мире, экономить нефтяное топливо, а также улучшить мощ-ностные и экономические показатели двигателей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Зонов А. В., Лиханов В. А., Чупраков А. И., Шаромов И. М. Влияние применения этаноло-топливной эмульсии на эффективные показатели дизеля 4Ч 11,0/12,5 // Транспорт на альтернативном топливе. 2011. № 4. С. 54-56.
2. Зонов А. В., Лиханов В. А., Чупраков А. И., Шаромов И. М. Влияние этанола на горания в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 // Транспорт на альтернативном топливе. 2012. № 3. С. 75-77.
3. Патент № 3002851 ФРГ, 02 М 67/14. Система впрыска спиртового и запального дизельного топлив // Открытия. Изобретения. 1981.
4. Перспективные автомобильные топлива / Пер. с англ.; под ред. Я. Б. Черткова. М. : Транспорт, 1986. 319 с.
5. Селиверстов В. М., Браславский М. И. Экономия топлива на речном флоте. М. : Транспорт, 1989. 231 с.
6. Селимов М. К., Абросимов А. А. Эколого-экономические аспекты развития производства моторных топлив в США. М. : ЦНИИТЭИнефтехим, 1991. 64 с.
THE INFLUENCE OF THE USE OF ETHANOL-FUEL EMULSION AND NATURAL GAS FOR EFFICIENT INDICATORS OF DIESELS 4H 11.0/12.5 AND 4HH 11.0/12.5 WITH INTERMEDIATE COOLING OF AIR IN DEPENDING ON POSITIONING ANGLE OF FUEL INJECTION TIMING
Keywords: the diesel engine, natural gas, intermediate cooling of air, toxicity, fuel injection timing angle, ethanol, ethanol-fuel emulsion.
Annotation. In the article results of researches on influence of application ethanol-fuel emulsion and applications of natural gas on effective parameters of a diesel engines 4¥ 11,0/12,5 and 4¥H 11,0/12,5, having intermediate cooling of air, depending on variation of positioning angle of an advancing of injection offuel are resulted.
This article considers the influence of the use of ethanol-fuel emulsion (ETE) to an effective performance diesel 4¥ 11,0/12,5 and influence the use of natural gas (NG) in the effective performance of a diesel engine 4¥H 11,0/12,5 with aftercooling depending on changes in the installation angle fuel injection timing. For each engine at work on the alternative fuel control characteristics were conducted with the removal and processing of a number of load characteristics, choose the optimum value of the installation offuel injection timing. This article contains the results of studies carried out on engines 4¥ 11,0/12,5 when working on alternative fuel - etha-nol-fuel emulsion and 4¥H 11,0/12,5when running on natural gas with aftercooling. Experimental and computational and theoretical studies of power and efficient performance of diesel engines running on the alternate fuels (ETE and NG).
ЗОНОВ АНТОН ВАСИЛЬЕВИЧ - кандидат технических наук, доцент кафедры начертательной геометрии и черчения, Вятский государственный университет, Россия, Киров (antonzonov@yandex.ru).
ZONOV ANTON VASILIEVICH - the candidate of technical sciences, the associate professor of the chair «Descriptive geometry and plotting», Vyatskiy state university, Russia, Kirov (antonzonov@yandex.ru).
