CC BY
8Научные разработки и исследования
ж\\\\\\ч
Влияние состава топлива на основе масел растительного происхождения на режим работы электрогидравлической форсунки
А.Ю. Дунин, доцент Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ), к.т.н.,
Е.В. Горбачевский, аспирант Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ),
П.В. Душкин, аспирант Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ),
Л.Н. Голубков, профессор Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ), д.т.н.,
И.Е. Иванов, профессор Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ), д.т.н.
В статье представлены результаты исследования влияния состава смесевых топлив (масла растительного происхождения с дизельным топливом) на режим работы электрогидравлической форсунки аккумуляторной топливной системы. Дана оценка эффективности работы форсунки при замене дизельного топлива на топливо на основе масел растительного происхождения. В результате увеличения длительности управляющего импульса и давления в аккумуляторе при переходе с дизельного топлива на масла растительного происхождения возрастает доля топлива, подаваемого электрогидравлической форсункой в цилиндр дизеля, относительно его количества, пошедшего на ее управление.
__Ключевые слова:
электрогидравлическая форсунка, аккумуляторная топливная система, топлива на основе масел растительного происхождения.
последние годы повышенный интерес проявляется к топливу, получаемому из возобновляемых ресурсов растительного происхождения, сырьевые запасы которых практически неисчерпаемы. Применительно к условиям европейской части России для дизелей наиболее перспективны топлива на основе рапсового (РМ) и подсолнечного (ПМ) масел.
Применение топлива на основе масел позволит не только частично или полностью заменить нефтяные моторные топлива, но и улучшить показатели токсичности двигателей. Как продемонстрировали проведенные исследования, количество несгорев-ших углеводородов снижается в 1,5-2 раза при переходе на топливо, содержащее РМ [1].
Проведенные экспериментальные исследования физико-химических свойств растительных масел и топлив на их основе, а также исследования влияния их применения на надежность деталей и узлов двигателя показали, что использование таких топлив для ДВС затруднено и требует доработки его системы питания [2, 3].
Использование растительных масел без дополнительных присадок ограничено повышенным нагарообразо-ванием на стенках камеры сгорания, за-коксовыванием распылителей форсунок и повышенной вязкостью по сравнению со стандартным дизельным топливом (ДТ), затрудняющими работу топливной системы. Для решения данной проблемы применяют топливные смеси растительных масел с ДТ [4].
На смесях дизельного топлива с 5%-й добавкой топлива на основе масел растительного происхождения могут работать дизели всех выпускаемых в Европе и ввозимых в Россию автомобилей и сельхозтехники.
Испытания топливной системы непосредственного действия на дизеле 2Ч 10,5/12 Владимирского тракторного завода показали его наилучшие показатели при подаче топливной смеси с 20%-м содержанием РМ [5]. Это позволило на режиме максимального крутящего момента двигателя уменьшить содержание сажи в отработавших газах на 25 %.
На современных дизелях установлены аккумуляторные топливные системы (АТС) с давлением впрыскивания 180...200 МПа, в перспективе до 300 МПа [6, 7]. Для АТС характерны уменьшенные зазоры в подвижных частях. Одна из ключевых особенностей АТС - независимость процессов впрыскивания от угла поворота коленчатого вала и режима работы двигателя, что делает возможным достижение высокого давления впрыскивания на частичных режимах для удовлетворения
современных и перспективных экологических требований [6].
Указанные особенности АТС создают предпосылки для более детального рассмотрения ее работы на растительных маслах и их смесях с дизельным топливом. Целью данного исследования был анализ влияния состава топлива на основе масел растительного происхождения на режим работы электрогидравлической форсунки (ЭГФ) аккумуляторной топливной системы.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
• определены нагрузочные характеристики электрогидравлической форсунки и количество топлива, расходуемое на управление;
• на основе полученных экспериментальных данных дана оценка эффективности работы ЭГФ при замене ДТ топливом на основе масел растительного происхождения.
Под нагрузочной характеристикой ЭГФ понимается зависимость цикловой подачи топлива от продолжительности управляющего импульса, поступающего на электромагнит форсунки при одноразовом впрыскивании и различных давлениях в топливном аккумуляторе АТС.
В качестве объектов исследования рассмотрены ЭГФ двух конструкций, схемы которых представлены на рис. 1, а некоторые параметры даны в таблице.
Форсунка № 1 конструктивно отличается от форсунки № 2 отсутствием встроенного топливного аккумулятора 5 в распылителе (рис. 1б) и применением управляющего клапана 1, не разгруженного в закрытом состоянии от давления топлива.
Конструкция ЭГФ № 1 характерна для АТС дизелей, находящихся в эксплуатации. ЭГФ № 2 предназначена для новых и перспективных моделей двигателей.
а б
Рис. 1. Схемы электрогидравлических форсунок, участвующих в исследованиях: а - ЭГФ № 1, б - ЭГФ № 2; 1 - управляющий клапан; 2 - корпус форсунки; 3 - управляющая камера; 4 - мультипликатор (для образца б элементы 4 и 6 являются одной деталью); 5 (а) - канал подвода топлива к распылителю, 5 (б) - топливный аккумулятор; 6 - игла распылителя; 7 - распылитель; 8 - пружина иглы; 9 - впускной жиклер; 10 - сливной жиклер; 11 - электромагнитный клапан; 12 - жиклер распылителя
Параметры испытываемых электрогидравлических форсунок
Параметр ЭГФ № 1 ЭГФ № 2
Число распыливающих отверстий, ед. 7 8
Диаметр распыливающих отверстий, мм 0,12 0,09
Диаметр сливного жиклера, мм 0,36 0,26
Экспериментальная установка
Исследования работы ЭГФ № 1 и ЭГФ № 2 проведены на экспериментальной установке (рис. 2), созданной в Проблемной лаборатории транспортных двигателей Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ).
Конструкция экспериментальной установки позволяет использовать ее при испытаниях полного комплекта АТС или отдельных ее элементов, а также в составе испытательного комплекса для исследования рабочих процессов дизелей и их топливных систем с электронным управлением непосредственного действия и аккумуляторного типа.
Рис. 2. Экспериментальная установка для испытаний топливных систем: 1 - электродвигатель; 2 - регулятор частоты вращения;
3 - аварийный выключатель;
4 - весы для определения масс впрыскиваемого топлива;
5, 6 - элементы системы управления аккумуляторной топливной системой; 7 - осциллограф; 8 - топливные аккумуляторы
Для управления работой АТС установка оборудована экспериментальной электронной системой управления 5, 6, с помощью которой возможно формирование любого сигнала для подачи его на электромагнит управляющего клапана ЭГФ. Параметры сигналов соответствуют аналогичным сигналам, подаваемым блоком управления дизеля.
С учетом длительной работы АТС экспериментальной установки с давлениями в топливном аккумуляторе свыше 300 МПа его штуцеры дополнительно были стянуты прижимными пластинами 9 и 10 с помощью стремянок 11 (рис. 3).
Оценка эффективности работы ЭГФ в зависимости от состава топлива
Во время испытаний ЭГФ № 1 и ЭГФ № 2 в составе АТС, установленной на экспериментальной установке (см. рис. 2), определялись зависимости цикловой подачи Сц от продолжительности управляющего электрического импульса т. Одновременно с Сц фиксировалось количество топлива Су, затраченное на управление и отведенное из ЭГФ в бак.
Величина т менялась в пределах, необходимых для обеспечения всего диапазона значений Сц от нулевой до
Рис. 3. Аккумуляторная топливная система экспериментальной установки:
1 - топливный насос высокого давления; 2,3 - топливопроводы;
4 - топливный аккумулятор; 5 - форсунка;
6, 7 - крепежные плиты топливного аккумулятора;
8, 9,10,14 - прижимные пластины; 11 - стремянка;
12 - шпилька крепления топливного аккумулятора;
13 - пластина крепления датчика давления;
15 - шпилька крепления датчика давления; 16 - датчик давления
максимальной подачи при работе ЭГФ на дизельном топливе. Помимо ДТ, проведены исследования работы форсунок на топливах, содержащих масла растительного происхождения. ЭГФ № 1 испытана в условиях подачи РМ и его смесей с ДТ. Содержание последнего составляло 20 и 80 %. В случае ЭГФ № 2 применено ПМ и его смеси с ДТ в аналогичных пропорциях.
На рис. 4 и 5 показаны значения Сц и Оу для обеих конструкций ЭГФ, полученные на ДТ и маслах растительного
происхождения. Каждая линия графи -ков соответствует работе форсунки при определенном значении давления в аккумуляторе рак . Различие в максимальных значениях рабочего диапазона рак объясняется тем, что работа ЭГФ № 1 на ДТ при давлениях выше рак = 180 МПа становилась нестабильной, периодически происходили пропуски и затягивания впрыскивания. Причиной этому может быть трение в зазоре клапанного узла, возрастающее под действием высокого давления.
Рис. 4. Нагрузочные характеристики (цикловая подача) ЭГФ № 1 при работе на дизельном топливе (а) и рапсовом масле (б) и расходные характеристики (расход топлива на управление) при работе на дизельном топливе (в) и рапсовом масле (г) с давлением в аккумуляторе 50, 100, 150 и 180 МПа
Рис. 5. Нагрузочные характеристики (цикловая подача) ЭГФ № 2 при работе на дизельном топливе (а) и подсолнечном масле (б) и расходные характеристики (расход топлива на управление) при работе на дизельном топливе (в) и подсолнечном масле (г) с давлением в аккумуляторе 50, 100, 150, 200, 250 и 300 МПа
Научные разработки и исследования
I ЙЖ
\
54
В качестве показателя, оценивающего эффективность работы ЭГФ, введен коэффициент 5:
5 = Сц / (0Ц +Су). (1)
Результаты расчета 5 по экспериментальным данным приведены на рис. 6 и 7. Как следует из представленного материала, коэффициент 5 для обеих конструкций ЭГФ возрастает с увеличением т при работе на всех рассматриваемых топливах.
В случае работы ЭГФ № 1 на ДТ (рис. 6я) при величине т до 0,7 мс давление в аккумуляторе мало влияет на коэффициент 5. С дальнейшим повышением т наименьшие значения 5 наблюдаются при р = 50 МПа, а наибольшие
- при р = 150 МПа.
Работа ЭГФ № 2 на ДТ (рис. 7а) сопровождается меньшим диапазоном изменения 5 за счет более высоких его значений по сравнению с ЭГФ № 1 в промежутке от 0,3 до 0,9 мс.
При т = 1,1 мс в интервале р = 50... 180 МПа для ЭГФ № 1
1 ак
и р = 50.250 МПа для ЭГФ № 2
ак
разброс значений 5 мало отличается для обеих форсунок (см. рис. 6а и рис. 7а). Однако при работе ЭГФ № 2 с давлением рак = 300 МПа величина 5 ощутимо снижается в диапазоне больших и средних цикловых подач топлива (рис. 7а).
Повышение концентрации РМ в смеси с ДТ (см. рис. 6а) вплоть до перехода на питание ЭГФ № 1 только рапсовым маслом (см. рис. 6г) способствует увеличению 5 во всем диапазоне рабочих значений т. При этом наиболее существенное увеличение характерно для малых т, а с ее ростом повышение 5 замедляется. Наименьший рост во всем диапазоне т при замене ДТ на РМ отмечается с рак = 180 МПа. При т = 0,3 мс и рак = 180 МПа переход от ДТ к РМ сопровождается увеличением 5 в 4,5 раза, а при т = 1,1 мс и рак = 180 МПа
- в 1,13 раза. Аналогичные изменения
при рак = 100 МПа произошли соответственно в 4 и 1,12 раза.
Отмеченное изменение 5 для ЭГФ № 1 с переходом от ДТ к РМ связано с изменением физико-химических свойств топлив. РМ более плотное и вязкое по сравнению с ДТ (3,2 мм2/с для ДТ и 75 мм2/с для РМ).
Для ЭГФ № 2 переход с ДТ (см. рис. 7а) на питание топливом, содержащим ПМ (рис. 7б,в,г), сопровождается снижением 5 на малых и средних цикловых подачах топлива. С ростом концентрации ПМ в топливе снижение увеличивается. Так, при т = 0,3 мс и р =100 МПа величина 5 снизилась
ак
в 2,8 раза с переходом от ДТ (рис. 7а) на ПМ (рис. 7г). При т = 0,3 мс и рак = 200 МПа снижение 5 произошло в 3,5 раза.
При переходе с ДТ на РМ увеличивается длительность управляющего импульса, так как возрастает цикловая подача топлива вследствие меньшего значения низшей теплоты сгорания у масел (42,5 мДж/кг для ДТ против 37,3 мДж/кг для РМ и 37 мДж/кг для ПМ). Например, в случае ЭГФ № 1 при давлении рак = 150 МПа для поступления в цилиндр количества теплоты, эквивалентного полному сгоранию 40 мг ДТ, необходимо подать РМ на 14 % больше (45,6 мг). При этом, исходя из полученных экспериментальных данных, т увеличится на 19 %, а величина 5 - на 52 % (рис. 8).
Большая вязкость масел и стремление сократить время подачи топлива т в цилиндр дизеля требуют увеличения давления в аккумуляторе. Например, при сохранении длительности управляющего электрического импульса т = 0,6 мс, подаваемого на электромагнит ЭГФ № 1, для поступления в цилиндр количества теплоты, эквивалентного полному сгоранию 20 мг ДТ, поданного при давлении р = 100 МПа, необходимо
ак
увеличить давление впрыскивания
51 0,3 ' 0,6 ■ о,ч 0,2 ■ 8 1 ■ 0,8 ■ 0,6 ■ 0,4 ■ 0,2 '
-
/
0,2 0,4 0,6 0,8 1 1, а 2 Т: МС 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1 б 2Т.МС
0,8 0,6 0,4 0,2 0,8 ■ 0,6 ■ 0,4 ■ 0,2 ■
JHl J Л
/ г i
Г / /
8
0,2 0,4 0,6 0,8 1 1 в ,2 Т. НС 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1 г 2 Т, МС
Рис. 6. График коэффициента 5 ЭГФ № 1 при работе на различных топливах: а - ДТ; б - смесь 80 % ДТ и 20 % РМ; в - смесь 20 % ДТ и 80 % РМ; г - РМ;
X-----X - 50 МПа; Д-Д - 100 МПа;
□------□ - 150 МПа; 0-0 - 180 МПа
РМ на 20 % (рак = 120 МПа). При этом 5 увеличится на 40 % (рис. 9).
В результате действия двух факторов (см. рис. 8 и 9) при подаче РМ рабочая зона смещается в сторону больших 5, где, во-первых, этот коэффициент зависит в меньшей степени от продолжительности управляющего импульса, а во-вторых - само значение 5 выше.
В случае с ЭГФ № 2 при рак = 150 МПа для того чтобы подать в цилиндр количество теплоты, эквивалентное полному сгоранию 40 мг ДТ, потребуется ПМ на 14 % больше. При этом управляющий импульс увеличится на 56 %, а эффективность форсунки практически не изменится.
Для подачи ЭГФ № 2 (т = 0,52 мс,
рак = 100 МПа) 22,8 мг ПМ, эквивалентных 20 мг ДТ, потребуется увеличить давление впрыскивания до 250 МПа. При этом 5 увеличится на 5 %.
При использовании ДТ ЭГФ № 1 и ЭГФ № 2 с одинаковыми давлениями в аккумуляторе и одинаковыми цикловыми подачами показывают разную эффективность. Таким образом, для того чтобы подать в цилиндр 40 мг ДТ ЭГФ № 1 потребуется управляющий импульс т = 0,62 мс, а ЭГФ № 2 - т = 0,72 мс. Большее значение т для ЭГФ № 2 объясняется меньшим суммарным проходным сечением распыливающих отверстий (0,079 мм2 у ЭГФ № 1 и 0,051 мм2 у ЭГФ № 2, см. таблицу). В результате на основе экспериментальных данных
О 0,2 0,-4 0.6 0,8 1 1,2 г, мс 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2Т,МС
а б
51 о
о о,2 0,4 0,6 о.з 1 1,2 т.мс о 0,2 0,4 0,6 о,а 1 1,гт,мс
в г
Рис. 7. График коэффициента 5 ЭГФ № 2 при работе на различных топливах: а - ДТ; б - 80 % ДТ и 20 % ПМ; в - 20 % ДТ и 80 % ПМ; г - 100 % ПМ;
+----+ - 50 МПа; А----А - 100 МПа;
□----□ - 150 МПа; ◊----◊ - 200 МПа;
*----* - 250 МПа; О----О - 300 МПа
(см. рис. 6а и 7а) величина 5 ЭГФ № 2 для вышеуказанных условий будет выше на 50 %, чем у ЭГФ № 1.
В случае с растительными маслами ЭГФ № 1 и ЭГФ № 2 при одинаковых давлениях в аккумуляторе и одинаковых цикловых подачах показывают разную эффективность. Так, для того чтобы ЭГФ № 1 подать 40 мг РМ в цилиндр при 180 МПа требуется управляющий импульс т = 0,62 мс, при этом ЭГФ № 2 потребуется т = 0,9 мс. Большее значение т для ЭГФ № 2 объясняется, как отмечалось выше, меньшим суммарным проходным сечением рас-пыливающих отверстий (см. таблицу). На основе экспериментальных данных (см. рис. 6а и 7а) можно утверждать, что величина 5 ЭГФ № 2
для вышеуказанных условий будет примерно соответствовать 5 ЭГФ № 1.
Выводы
1. При переходе с дизельного топлива на масла растительного происхождения увеличивается длительность управляющего импульса, так как возрастает цикловая подача топлива из-за меньшего значения низшей теплоты сгорания у масел. Так, в случае ЭГФ № 1 при давлении в аккумуляторе 150 МПа для поступления в цилиндр количества теплоты, эквивалентного полному сгоранию 40 мг дизельного топлива, необходимо подать рапсового масла на 14 % больше.
Рис. 8. Сопоставление показателей, характеризующих рабочий процесс ЭГФ № 1 при давлении в аккумуляторе 150 МПа и впрыскивании ДТ и РМ
Рис. 9. Сопоставление показателей, характеризующих рабочий процесс ЭГФ № 1 при длительности управляющего электрического импульса 0,6 мс и впрыскивании ДТ и РМ
2. Большая вязкость масел растительного происхождения и стремление сократить время подачи топлива т в цилиндр дизеля требуют увеличения давления в аккумуляторе. Например, при сохранении длительности управляющего электрического импульса т = 0,6 мс, подаваемого на электромагнит ЭГФ № 1, для поступления в цилиндр количества теплоты, эквивалентного полному сгоранию 20 мг дизельного топлива с
рак = 100 МПа, необходимо увеличить давление впрыскивания рапсового масла на 20 %.
3. В результате увеличения длительности управляющего импульса и давления в аккумуляторе при переходе с дизельного топлива на масла растительного происхождения возрастает доля топлива, подаваемого электрогидравлической форсункой в цилиндр дизеля, относительно его количества, пошедшего на ее управление.
Научные разработки и исследования
i жж
N
Литература
1. Марков В.А., Баширов Р.М., Габитов И.И. Токсичность отработавших газов дизелей. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 376 с.
2. Звонов В.А., Козлов А.В., Теренченко А.С. Исследование эффективности применения в дизельных двигателях топливных смесей и биотоплив. - М.: ФГУП НАМИ, 2008.
3. Ефанов А.А. Автореферат диссертации «Улучшение экологических характеристик дизеля регулированием состава смесевого биотоплива», Москва, 2008.
4. Марченко А.П., Минак А.Ф., Семенов В.Г., Линьков О.Ю., Шпаковский В.В., Обозный С.В. Расчетно-экспериментальные исследования по оценке влияния подогрева альтернативных топлив на показатели работы дизеля // Вестник Национального технического университета «ХПИ», Двигатели внутреннего сгорания (Харьков). - 2005. - № 1. - С. 8-17.
5. Марков В.А., Девянин С.Н., Семенов В.Г., Шахов А.В., Багров В.В. Использование растительных масел и топлив на их основе в дизельных двигателях. -М.: Изд-во ООО НИЦ «Инженер», 2011. - 536 с.
6. Research Of The Impact Of Injection Pressure 2000 Bar And More On Diesel Engine Parameters / Mikhail G. Shatrov, Leonid N. Golubkov, Andrey U. Dunin, Andrey L. Yakovenko, Pavel V. Dushkin // International Journal of Applied Engineering Research. - 2015. - Volume 10. - Number 20. - Р. 41098-41102.
7. Дунин А.Ю., Душкин П.В. Результаты испытаний аккумуляторных топливных систем дизелей с давлением впрыскивания до 300 МПа // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. - 2016. - № 1. - С. 80-88.
В Ульяновске стартует производство тяжелых грузовиков Isuzu
В Ульяновске компания Ьиги планирует начать производство крупных грузовиков с полной массой от 33 тонн и более. Первые автомобили вышли уже в мае этого года. Кроме этого российское представительство «Исузу Рус»
сообщает, что в ближайшее время планируется расширить модельный ряд грузовых автомобилей Ьиги. Появится новый полноприводный автомобиль NMS85 и версия с газовым мотором NPR82/CNG. Также сообщается, что на протяжении ближайших двух лет Ьиги увеличит объем производства в два раза.
По результатам первых трех месяцев этого года доля автомобилей компании на рынке РФ увеличилась почти на 6 %. В первую очередь это стало возможным благодаря собственному производству в Ульяновске, на котором можно осуществлять оперативную доработку машин под местные условия эксплуатации и желания клиентов. При этом за компанией закреплен статус российского производителя.
https://vistanews.ru/auto/134149
