CC BY
10Влияние применения этаноло-топливной эмульсии на эффективные показатели дизеля 4Ч 11,0/12,5
В.А. Лиханов,
профессор ФГОУ ВПО «Вятская ГСХА», д.т.н., А.И. Чупраков,
инженер ФГОУ ВПО «Вятская ГСХА», А.В. Зонов,
инженер ФГОУ ВПО «Вятская ГСХА», И.М. Шаромов,
инженер ФГОУ ВПО «Вятская ГСХА»
Рассмотрена возможность применения этаноло-топливных эмульсий в качестве альтернативного топлива для дизелей. Статья содержит данные исследований, проведенных на базе кафедры двигателей внутреннего сгорания Вятской ГСХА на дизеле 4Ч 11,0/12,5 при работе на этаноло-топлив-ной эмульсии. Приведены эффективные и экономические показатели при работе дизеля на этаноло-топливной эмульсии.
Ключевые слова: дизель, этанол, этаноло-топливная эмульсия (ЭТЭ), эффективные показатели, отработавшие газы (ОГ).
The influence of application of the ethanol-fuel emulsion on the effective to factors of the separation of the heat of the diesel 4Ч 11,0/12,5
V.A. Likhanov, A.I. Chuprakov, A.V. Zonov, I.M. Sharomov
In article considers a possibility of the using ethanol-fuel emulsion as alternative fuel for diesels. The article contains the data of the research carried out at the department of internal combustion engines of Vyatka SAA on diesel D-240 when functioning on ethanol-fuel emulsion. Effective to factors of the diesel on ethanol-fuel emulsion are given.
Keywords: diesel, ethanol, ethanol-fuel emulsion, effective performance, exhaust gases.
К настоящему времени в нашей стране, как и во всем мире, складывается неблагоприятная экологическая обстановка. Существенную роль в загрязнении окружающей среды и, в первую очередь, воздуха,
безусловно, играет и автомобильный транспорт. Одним из наиболее эффективных способов снижения выбросов отработавших газов является использование альтернативных топ-лив, в том числе из возобновляемого
сырья. К такими топливами относятся метиловый и все более актуальный этиловый спирты, а также эмульсии на их основе [1, 2]. В то же время использование этих топлив в двигателях с искровым зажиганием практикуется достаточно давно и показало свою эффективность. При этом практически не изучен вопрос об использовании вышеуказанных топлив в автомобильных и тракторных дизелях [3]. Помимо снижения токсичности ОГ при работе дизелей на альтернативном топливе, необходимо изучение эффективности применения с точки зрения экономичности и процесса горения.
Для изучения влияния этаноло-топливной эмульсии, применяемой в качестве моторного топлива для дизеля 4Ч 11,0/12,5, на рабочий процесс и содержание токсичных компонентов в ОГ была проведена серия стендовых испытаний.
Стендовые испытания заключались в снятии регулировочных, нагрузочных и скоростных характеристик при работе дизеля как на ДТ, так и на ЭТЭ. Оптимальный установочный угол определяли исходя из минимальных удельных эффективных расходов ДТ и ЭТЭ. Регулировочные и нагрузочные характеристики снимали на двух частотах вращения коленчатого вала: п = 2200 мин-1 (номинальный скоростной режим) и п = 1700 мин-1 (максимальный крутящий момент). Регулировочные характеристики снимались на четырех различных установочных углах опережения впрыска топлива (УОВТ) 0 = 20°, 23°, 26° и 29°. Характерис-
впр 11
тики снимались при равных значениях средних эффективных давлений.
После снятия и обработки регулировочных характеристик при одинаковом часовом расходе топлива СТ были построены графики (рис. 1).
I ,.ifffflTmTTTr„- Д|Дн4Д1<
«Транспорт на альтернативном топливе» № 4 (22) август 2011 г.
Рис. 1. Влияние применения ЭТЭ на эффективные показатели дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения установочного УОВТ: -ДТ;----ЭТЭ
Анализ работы дизеля 4Ч 11,0/12,5 на ЭТЭ при номинальной частоте вращения коленчатого вала п=2200 мин-1 и при постоянном часовом расходе 0ЭТЭ = 16,3 кг/ч показал, что эффективная мощность Ме = 54,5 кВт и достигается при установочном УОВТ 0 ,т, = 23°. Часовой
впр ЭТЭ
расход ДТ в составе ЭТЭ составляет СДТ прив = 11,0 кг/ч. Удельный расход ЭТЭ деЭТЭ = 297 г/(кВт-ч), а удельный эффективный расход ДТ в составе ЭТЭ деДТ прив = 200,5 г/кВт. При применении ЭТЭ увеличивается расход альтернативного топлива, что связано с меньшей теплотой сгорания ЭТЭ. При увеличении установочного
эффективный расход увеличивается до деЭТЭ = 300 г/(кВт-ч) - на 1,0 %. Удельный эффективный расход ДТ в составе ЭТЭ возрастает до дпт = 202,5 г/кВт, то есть на 1,0 %.
-'еДТ прив ' ' '
Анализ работы дизеля 4Ч 11,0/12,5 на ЭТЭ при частоте вращения коленчатого вала, соответствующей максимальному крутящему моменту п=1700 мин-1 и при постоянном часовом расходе СЭТЭ = 13,1 кг/ч, позволил сделать следующие выводы: на данной точке эффективная мощность составляет Ме = 46,5 кВт и достигается при установочном УОВТ 0впр ЭТЭ = 23°. Часовой расход ДТ в составе ЭТЭ в„Т = 8,8 кг/ч. Удель-
ДТприв ' м
ный расход ЭТЭ - д.
■■ 287 г/(кВт-ч),
УОВТ до 0
26° эффективная
мощность снижается до N = 52,0 кВт
впр ЭТЭ
или на 4,6 %, удельный расход ЭТЭ возрастает до деЭТЭ = 306 г/(кВт-ч), что составляет 3,0 %, а удельный эффективный расход ДТ в составе ЭТЭ - до д пт = 206,6 г/кВт, увеличение со-
~/еДТ прив '
ставляет 3,0 %. При дальнейшем росте установочного УОВТ до 0впр ЭТЭ = 29° тенденция падения эффективной мощности и увеличения удельного расхода ЭТЭ сохраняется и составляет при этом Ne = 51,0 кВт, уменьшение 6,4 %, деЭТЭ = 316 г/(кВт-ч), увеличение 6,4 %, а удельный эффективный расход ДТ в составе ЭТЭ возрастает до деДТ прив = 213,3 г/кВт, увеличение 6,4 %. При уменьшении установочного УОВТ до 0впр ЭТЭ = 20° эффективная мощность снижается до Ne = 54,0 кВт - на 0,9 %, а удельный
а удельный эффективный расход ДТ в составе ЭТЭ - д пт = 193,7 г/кВт.
-'еДТ прив
При увеличении установочного УОВТ до 0впр ЭТЭ = 26° эффективная мощность снижается до Ne = 45,0 кВт или на 3,2 %, удельный расход ЭТЭ возрастает до деЭТЭ = 296 г/(кВт-ч), что составляет 3,1 %, а удельный эффективный расход ДТ в составе ЭТЭ возрастает до деДТ прив = 199,8 г/кВт, то есть на 3,1 %.
При дальнейшем увеличении установочного УОВТ до 0впр ЭТЭ = 29° тенденция падения эффективной мощности и увеличения удельного расхода ЭТЭ сохраняется, при этом Ne = 43,5 кВт, уменьшение составляет 6,5 %, деЭТЭ = 303,0 г/(кВт-ч), увеличение на 5,6 %, а удельный эффективный расход ДТ в составе ЭТЭ возрастает до деДТ прив = 204,5 г/кВт, то есть на 5,6 %. При уменьшении установочного УОВТ до 0 = 20° эф-
впр ЭТЭ
фективная мощность снижается до Ne = 46,0 кВт - на 1,1 %, а удельный эффективный расход увеличивается до деЭТЭ = 286,1 г/(кВт-ч) - на 0,3 %. Удельный эффективный расход ДТ в составе ЭТЭ снижается до деДТ прив = 193,1 г/кВт, уменьшение составляет 0,3 %.
После проведенного анализа регулировочной характеристики дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на ДТ и ЭТЭ можно сделать вывод о значительном влиянии установочного УОВТ на мощностные и экономические показатели.
Исходя из минимального удельного расхода де был выбран оптимальный установочный УОВТ, который для дизеля, работающего на ДТ и ЭТЭ, составил 0 лт = 23°.
т ' впр ДТ, ЭТЭ
При его росте происходит усиление «жесткости» работы, что увеличивает напряжения в ЦПГ и может привести к ее разрушению. При поздних установочных углах температура охлаждающей жидкости повышается, что может привести к перегреву дизеля.
Эффективные показатели дизеля 4Ч 11,0/12,5, снятые при работе на ДТ и ЭТЭ на номинальном режиме в зависимости от изменения нагрузки, представлены на рис. 2.
При работе дизеля на ДТ на номинальной частоте вращения при п=2200 мин-1 выявляется ряд закономерностей. С увеличением нагрузки часовой расход топлива СДТ возрастает от 5,2 кг/ч при ре = 0,13 МПа до 14,8 кг/ч при ре = 0,69 МПа, следовательно рост составляет 9,8 кг/ч. С повышением нагрузки снижается удельный эффективный расход топлива деДТ При минимальной нагрузке, соответствующей ре = 0,13 МПа, деДТ = 465 г/(кВт-ч).
При анализе нагрузочных характеристик, соответствующих работе
дизеля на ЭТЭ на номинальной частоте вращения, можно сделать вывод, что характер изменения эффективных показателей аналогичен соответствующим показателям дизельного процесса.
С увеличением нагрузки часовой расход топлива СЭТЭ возрастает от
7.3 кг/ч при ре = 0,13 МПа до 18,2 кг/ч при ре = 0,69 МПа, следовательно увеличение составляет 10,9 кг/ч или в 2,5 раза. Соответственно растет часовой расход ДТ в составе ЭТЭ СДТ прив от 4,9 кг/ч при ре = 0,13 МПа до 12,3 кг/ч при ре = 0,69 МПа. Рост составляет
7.4 кг/ч или в 2,5 раза. С ростом нагрузки снижается удельный эффективный расход топлива деЭТЭ.
Так, при минимальной нагрузке, соответствующей ре = 0,13 МПа, деЭТЭ = 550 г/(кВт-ч), а при номинальной нагрузке, соответствующей ре = 0,64 МПа, деЭТЭ = 297 г/(кВт-ч). Снижение удельного расхода составляет 253 г/(кВт-ч) или 46,0 %. При дальнейшем увеличении нагрузки до ре = 0,69 МПа деЭТЭ = 300 г/(кВт-ч). Соответственно изменяется и удельный эффективный расход ДТ в составе ЭТЭ. Так, при росте нагрузки от ре = 0,13 МПа до номинального эффективного давления ре = 0,64 МПа
дЕДТ прив варьируется от 371 до 201 г/(кВт-ч), снижение составляет 170 г/(кВт-ч) или 45,8 %.
При дальнейшем увеличении
нагрузки до ре = 0,69 МПа деДТ прив
несколько увеличивается до 203 г/(кВт-ч). Эффективный КПД возрастает от пе = 0,140 при ре = 0,13 МПа до пе = 0,300 при ре = 0,69 МПа, или в 2,1 раза. Часовой расход воздуха при ре = 0,13 МПа составляет
= 334 кг/ч и с увеличением нагрузки до ре = 0,69 МПа снижается до 314 кг/ч, то есть на 20 кг/ч или 6,0 %. При малой нагрузке, соответствующей р = 0,13 МПа, коэффициент
избытка воздуха а = 3,6, а при максимальной нагрузке ре = 0,69 МПа - а = 1,5, снижение составляет 41,7 %. С увеличением нагрузки от ре = 0,13 МПа до ре = 0,69 МПа возрастает температура отработавших газов от Г, = 250 °С до Г, = 530 °С, то есть на 280 °С или 52,8 %.
Сравнивая работу дизеля 4Ч 11,0/12,5 на ДТ и ЭТЭ при оптимальном установочном УОВТ и номинальной частоте вращения, можно отметить следующие особенности. Мощностные показатели дизеля сохраняются. С увеличением нагрузки от минимальной при ре = 0,13 МПа до максимальной при ре = 0,69 МПа эффективная мощность N растет линейно в диапазоне от 11,0 до 59,7 кВт. При работе дизеля на ЭТЭ часовой расход топлива больше, чем при работе на ДТ, то есть СЭТЭ>СДТ. На режиме малых нагрузок (ре = 0,13 МПа)
при переходе с ДТ на ЭТЭ увеличивается от 5,2 до 7,3 кг/ч, или на 40,4 %. При максимальной нагрузке ре = 0,69 МПа часовой расход топлива возрастает от 14,8 при работе на ДТ до 18,2 кг/ч при работе на ЭТЭ. Увеличение составляет 3,4 кг/ч или 23,0 %. Наблюдается уменьшение часового расхода ДТ в составе ЭТЭ по сравнению с работой на ДТ. Так, при ре = 0,13 МПа снижается от 5,2 при работе на ДТ до 4,9 кг/ч при работе на ЭТЭ или на 5,8 %.
При увеличении нагрузки до ре = 0,69 МПа часовой расход GТ также снижается от 14,8 при работе дизеля на ДТ до 12,3 кг/ч при работе дизеля на ЭТЭ или на 16,9 %. Удельный расход деЭТЭ при работе на ЭТЭ выше, чем деДТ при работе на ДТ во всем диапазоне изменения нагрузок. На режиме минимальной нагрузки при ре = 0,13 МПа при переводе дизеля на ЭТЭ деТ=465 г/(кВт-ч) при работе на ДТ и деТ=550 г/(кВт-ч) при работе на
ЭТЭ, при этом увеличение составляет 18,3 %. На номинальной нагрузке при ре = 0,64 МПа деДТ = 243 г/(кВт-ч), а деЭТЭ = 297 г/(кВт-ч),увеличениесостав-ляет 22,2 %. При увеличении нагрузки до максимальной при ре = 0,69 МПа деДТ = 246 г/(кВт-ч), а деЭТЭ = 300 г/(кВт-ч), то есть рост составляет 22,0 %. Эффективный удельный расход ДТ в составе ЭТЭ д пт во всем диапа-
-'еДТприв
зоне изменения нагрузок ниже, чем значения деДТ при работе на ДТ. На режиме минимальной нагрузки при р = 0,13 МПа д лт = 371,3 г/(кВт-ч)
ге -'еДТприв
при работе на ЭТЭ и деДТ = 465 г/(кВт-ч) при работе на ДТ, снижение составляет 20,2 %.
На режиме номинальной нагрузки при ре = 0,64 МПа деДТприв = 200,5 г/(кВт-ч), а деДТ = 243 г/(кВт-ч), таким образом снижение ДТ в составе ЭТЭ составляет 17,5 %. На режиме максимальной нагрузки при ре = 0,69 МПа деДТприв = 202,5 г/(кВт-ч), а при работе на дизельном топливе деДТ возрастает до 246 г/(кВт-ч), расход ДТ на данном режиме снижается на 17,7 %.
Эффективный КПД г|е при работе дизеля на ЭТЭ во всем диапазоне изменения нагрузки несколько ниже, чем при работе на ДТ. На минимальной нагрузке при ре = 0,13 МПа и работе на ДТ пе = 0,181, а при работе дизеля на ЭТЭ г|е = 0,140. Снижение Пе составляет 22,7 %. При максимальной нагрузке, соответствующей
ре = 0,69 МПа, пе снижается от 0,340 до 0,300 или на 11,8 %. Часовой расход воздуха при ре = 0,13 МПа снижается от 336 кг/ч при работе на ДТ до 334 кг/ч при работе дизеля на ЭТЭ, то есть на 0,6 %. При переходе на режим максимальной нагрузки с ре = 0,69 МПа вВ = 324 кг/ч при работе на ДТ и снижается до = 314 кг/ч при работе на ЭТЭ, что составляет 3,1 %. Это связано с наличием в составе ЭТЭ частиц кислорода, которые в свою очередь оказывают влияние на коэффициент избытка воздуха а.
На нагрузке, соответствующей ре = 0,13 МПа, а = 4,5 при работе на ДТ, а при работе на ЭТЭ а = 3,6. Снижение составляет 20,0 %. При увеличении нагрузки до ре = 0,69 МПа а = 1,6 при работе на ДТ и а = 1,5 при работе на ЭТЭ. Снижение составляет 6,3 %.
При нагрузке ре = 0,13 МПа температура ОГ составляет tr = 220 °С при работе на ДТ, а при переходе на ЭТЭ повышается до = 250 °С. При ре = 0,36 МПа температура ОГ выравнивается, как при работе на ДТ и ЭТЭ, и составляет 330 °С. На максимальном нагрузочном режиме с ре = 0,69 МПа при переводе дизеля на работу на ЭТЭ температура ОГ снижается от 550 °С при работе на ДТ до 530 °С при работе на ЭТЭ. Снижение составляет 3,6 %.
Литература
1. Лиханов В.А., Романов С.А. Исследование рабочего процесса дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на метаноло-топливной эмульсии: монография / под общ. Ред. В.А. Лиханова. - Киров: Вятская ГСХА, 2010. - 166 с.
2. Лиханов В.А., Романов С.А., Торопов А.Е. Изменение токсических показателей дизеля при работе на метаноло-топливной эмульсии // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2010. - № 4. - С. 7-8.
3. Биоэнергетика: мировой опыт и прогноз развития. Сб. ст. - М.: ФГНУ «Рос-информагротех», 2008. - 404 с., ил.
