Usage of Rapeseed Oil and Ethanol in a Diesel Engine

全文:

Введение

Неуклонный рост потребления исчерпаемых энергоресурсов нефтегазовой отрасли может привести к энергетическому кризису. Данная проблема стимулирует ученых исследовать и внедрять альтернативные возобновляемые источники энергии, использование которых может значительно снизить нагрузку на экологическую систему [1].

Технические средства разнообразны по конструкции и организации рабочего процесса. Впрыск топлива в них может быть осуществлен как по классическому, так и по достаточно сложному, а иногда и индивидуальному закону топливоподачи. Все это приводит к расширению спектра возможностей применения и исследования альтернативного топлива с определенными физико-химическими свойствами. Возможно, один из видов такого топлива значительно улучшит эксплуатационные и экологические характеристики работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

Работы, посвященные данной научной проблеме, перспективны, поскольку их результаты помогут обеспечить не только снижение вредного воздействия процесса сгорания топлива в двигателе на окружающую среду, но и позволят диверсифицировать рынок топлива, сокращая потребление традиционных источников энергии. Таким образом, исследование работы дизелей на альтернативных топливах одновременно направлено на решение двух глобальных проблем: истощение сырьевых энергетических ресурсов и загрязнение окружающей среды вредными выбросами силовых установок.

Известно, что в отработавших газах (ОГ) дизелей, работающих на нефтяном топливе, присутствует более 280 токсичных компонентов разной степени опасности, среди которых наиболее вреден несгоревший сконденсированный углерод, попадающий из камеры сгорания (КС) двигателя в атмосферу в виде частиц сажи. Он имеет активную разветвленную поверхность, на которой конденсируются опасные вещества, образующиеся при сгорании топлива в КС. Среди них наибольшую угрозу представляют молекулы полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) [2].

Существует множество методов и способов снижения токсичности и дымности ОГ ДВС. Но если мы дополнительно ставим задачу экономии нефтяных энергоносителей, то выход в данной ситуации один – применение альтернативного топлива. Оно вследствие особенностей своего физико-химического состава и физических свойств при горении в условиях КС менее склонно к образованию сажи [3–6]. Таким альтернативным топливом являются спирты и растительные масла. Но использовать их можно только после проведения исследований и испытаний.

Поэтому исследования, посвященные влиянию альтернативных топлив на экологические и эффективные показатели работы дизелей, являются важной научной задачей. Положительные результаты исследований докажут возможность широкого применения нетрадиционных источников энергии в будущем [7].

Цель исследования – изучить, как добавление этанола в штатный тракторный дизель с объемным смесеобразованием и сгоранием от факела запального рапсового масла влияет на работу двигателя, а также оптимизировать раздельные цикловые подачи для получения максимального энергетического и экологического эффекта.

Обзор литературы

На сегодняшний день самым распространенным биологическим топливом в мире является биоэтанол, составляющий более 80 % от общего количества биотоплива, производимого из биологического сырья. Обеспеченность России биоэтанолом не вызывает опасений, поскольку сырьем для его производства служит не только сахаро- и крахмалосодержащий продукт, но и целлюлозосодержащая основа (различные отходы переработки древесины, зерна, соломы и др.). Что касается топливного этанола, то его производят методами укороченной дистилляции. При этом в нем содержатся сивушные масла, метанол, даже бензин, но зато он дешевле и более конкурентоспособный в экономическом плане. Эти критерии могут благоприятно сказаться на применении биоэтанола в ДВС [8].

Но масштабное внедрение этилового спирта как альтернативного топлива для дизеля ограничено вследствие его низкой самовоспламеняемости (цетановое число в 5 раз ниже дизельного топлива (ДТ)). Поэтому наряду с использованием этанола в дизеле необходимы дополнительные мероприятия или методы: применение специальных присадок, изменение геометрии или объема КС, повышение температуры заряда, степени сжатия, применение специальных средств воспламенения и др. [9–12].

Проблемы применения спиртовых топлив в дизелях подробно рассмотрены в многочисленной специальной литературе [13–16]. Ужесточение норм вредных выбросов вынуждает разработчиков дизелей как использовать специальные меры, воздействующие на процесс сгорания, так и комплектовать систему выпуска дополнительными модулями очистки ОГ. Все эти системы снижают термический и эффективный КПД дизеля, усложняют конструкцию двигателя и повышают стоимость его обслуживания [17–20].

Правильная организация процесса подачи топлива обеспечивает повышение КПД работы двигателя [21–23]. Использование раздельных систем топливоподачи увеличивает число регулировочных параметров, делает работу двигателя более адаптивной, расширяет диапазон рабочих нагрузочных и скоростных режимов. Решение задачи оптимизации подачи топлив по опережению, продолжительности и давлению впрыскивания требует значительного объема экспериментальных исследований, поскольку численные методы пока не позволяют добиться удовлетворительных результатов и нуждаются в проверке¹ [24; 25].

В качестве альтернативных энергетических источников легко могут применяться топлива с существенно более низким цетановым числом, воспламенение которых в КС может быть организовано различными способами. Наиболее эффективен метод с непосредственным впрыском в КС топлив отдельными форсунками. Такой метод повышает надежность и скорость воспламенения топлива в цилиндре за счет пересечения факелов распыленного топлива [26; 27]. Регулируя установочный угол опережения впрыскивания топлива (УУОВТ), можно добиться приемлемой жесткости работы двигателя, минимальной токсичности ОГ и высокой эффективности сгорания и тепловыделения [28; 29]. Однако использование такого метода организации рабочего процесса не позволяет полностью исключить использование невозобновляемого топлива. ДТ может быть без существенной модернизации двигателя заменено возобновляемым биотопливом на основе рапсового масла. Полное замещение дизельного топлива с использованием штатной системы топливоподачи ухудшает эффективность процесса сгорания. Отмечается появление нагара на поверхности камеры сгорания, поскольку вязкость рапсового масла существенно выше [30–33]. Рапсовое масло может быть использовано в качестве запального топлива, которое в камере сгорания дизеля служит для воспламенения основного спиртового топлива и впрыскивается незначительными порциями. Это позволяет избежать появления нагара на поршне и распылителе форсунки. Исследование возможности организации подобной системы питания двигателя с воспламенением от сжатия проведены на кафедре тепловых двигателей, автомобилей и тракторов в Вятском ГАТУ [7; 11; 15; 34].

Материалы и методы

Экспериментальный образец дизеля воздушного охлаждения 2Ч 10,5/12,0 был переоборудован для работы на этиловом спирте и рапсовом масле (РМ) с использованием раздельных систем топливоподачи. Дизель оснащен полусферической камерой сгорания в поршне. Этанол использовался в качестве основного топлива и воспламенялся от поступающей в КС дизеля струи РМ. Этиловый спирт имеет меньшую теплотворную способность, по сравнению с дизельным топливом, следовательно, возникла потребность корректировать цикловую подачу топлива в сторону увеличения (табл.).

 

Таблица Физические свойства топлив

Table Physical properties of fuels

 

Наименование / Name	ДТ / Diesel	РМ / Rapeseed oil	Этанол / Ethanol
Молекулярная формула / Molecular formula	C14H30	C18H34O2	C2H5OH
Цетановое число / Cetane number	46	39	8
Молекулярный вес, г/моль / Molecular weight, g/mol	198	282	46
Плотность, кг/м3/ Density, kg/m3	820	917	789
Низшая теплотворная способность, МДж/м3 / Lower calorific value, MJ/m3	42,4	37	26,7
Температура самовоспламенения, оС / Autoignition temperature, оС	220	318	420
Стехиометрическое соотношение воздуха и топлива / Stoichiometric air-fuel ratio	14,3	12,6	9
Кинематическая вязкость, мм2/с / Kinematic viscosity, mm2/s	4	42,1	1,5
Содержание углерода, % / Carbon content, %	0,864	0,776	0,52
Содержание водорода, % / Hydrogen content, %	0,121	0,116	0,13
Содержание кислорода, % / Oxygen content, %	0,0095	0,109	0,35

 

Впрыск РМ для воспламенения этанола осуществлялся с помощью специальной топливоподающей системы с штифтовой форсункой, которая создает конус распыленного топлива с углом в основании 45–50 градусов. Для этого в штатных головках цилиндра сверлились отверстия для монтажа установочных штифтов и форсунки (рис. 1).

 

 

 

Рис. 1. Схема раздельной системы подачи топлив:
1, 10 – топливные баки; 2, 9 – топливопроводы низкого давления;
3, 8 – топливные насосы высокого давления; 4, 7 – топливные магистрали высокого давления;
5 – форсунка запального топлива (РМ); 6 – штатная форсунка для подачи этанола

Fig. 1. Diagram of a separate fuel supply system: 1, 10 – fuel tanks; 2, 9 – low pressure fuel lines;
3, 8 – high-pressure fuel pumps; 4, 7 – high-pressure fuel lines; 5 – ignition fuel nozzle (rapeseed oil);
6 – standard nozzle for ethanol supply

 

В ходе экспериментальных исследований проводилось индицирование рабочего процесса с помощью пьезокварцевого датчика давления, установленного в головке цилиндра, измерение расхода топлива и потребления воздуха, отбирались пробы ОГ для исследования состава газа, определялось содержание токсичных компонентов и дымности. Полученная от датчика давления многоцикловая индикаторная диаграмма усреднялась путем наложения сигнала за 10-секундный испытательный цикл с периодом в два оборота коленчатого вала двигателя. Для корректного наложения графиков использовался индуктивный датчик верхней мертвой точки (ВМТ). По осредненной индикаторной диаграмме определяли среднее эффективное давление, частоту вращения коленчатого вала, осредненную температуру газов в цилиндре, тепловыделение. По измерениям весов определялась точная цикловая подача этанола и рапсового масла. Анализ внутрицилиндровых процессов проводился в сопоставлении с традиционным дизельным процессом. При проведении испытаний на дизельном топливе на двигатель были установлены серийные головки цилиндров.

Результаты исследования

Результаты стендовых испытаний работы дизеля на номинальном режиме при частоте вращения коленчатого вала 1 800 мин^–1 и среднем эффективном давлении p_e = 0,588 МПа приведены на рисунке 2. УУОВТ (дизельного) составлял 30 градусов до ВМТ и 34 градуса до ВМТ для этанола и рапсового масла. Несмотря на ранний впрыск, РМ воспламеняется в КС дизеля существенно позднее. Индукционный период сгорания и период задержки воспламенения (ПЗВ) увеличиваются, поскольку температура самовоспламенения на 100 К для РМ выше, чем для ДТ, следовательно, процесс сгорания смещается на более поздние углы поворота коленчатого вала (ПКВ). Максимальное давление сгорания составляет при работе двигателя на РМ и этаноле 7,1 МПа, при 11,5 градуса ПКВ после ВМТ. При работе дизеля на ДТ максимальное давление газов в цилиндре составляет 7,43 МПа при 5,7 градуса ПКВ.

 

 

 

Рис. 2. Характеристики сгорания топлива в цилиндре дизеля

Fig. 2. Characteristics of fuel combustion in a diesel cylinder

 

Цикловая подача этилового спирта в КС дизеля составляет 52 мг/цикл, а подача запального РМ 13 мг/цикл. Цикловая подача ДТ при соответствующей нагрузке на двигатель составила 41,2 мг/цикл. РМ обладает большей кинематической вязкостью, что повышает дальнобойность топливного факела в цилиндре. По-видимому, часть запального топлива сгорает, испаряясь со стенок камеры сгорания, за счет чего повышается скорость тепловыделения после 40 градусов ПКВ. Спиртовое топливо сгорает в кинетическом режиме, продолжительность интенсивного тепловыделения составляет около 20 градусов ПКВ. Быстрое тепловыделение сразу после ВМТ повышает эффективность цикла, не вызывая увеличение жесткости процесса сгорания. Это создает возможность форсирования дизеля путем увеличения цикловой подачи этилового спирта в КС без появления критических давлений в цилиндре.

Изменение нагрузки на тормозном стенде производилось регулировкой цикловой подачи этанола (рис. 3). При таком условии количество запального топлива в цилиндре оставалось всегда постоянным. На режимах частичной нагрузки использование альтернативных топлив приводит к существенному снижению эффективности работы двигателя. Повышается удельный эффективный расход топлива, существенно снижается эффективный КПД, растет задержка воспламенения, увеличивается продолжительность сгорания.

 

 

Рис. 3. Цикловые подачи топлив при различных нагрузках

Fig. 3. Cyclic fuel delivery at various loads

 

При росте нагрузки выше номинальной точки повышается эффективность применения альтернативных топлив. Однако максимальный эффективный КПД при работе двигателя на этиловом спирте и РМ все же ниже, чем при работе на ДТ, и составляет 0,33 (рис. 4).

 

 

 

Рис. 4. Показатели эффективности работы дизеля на различных топливах

Fig. 4. Diesel performance indicators for various fuels

 

Процесс сгорания при использовании этанола с запальным РМ существенно изменяется (рис. 5). Здесь оказывают влияние значительные расхождения физических свойств топлива, вязкости, цетанового числа, теплоты сгорания и испарения. Об этом уже говорилось выше.

 

 

Рис. 5. Характеристики внутрицилиндровых процессов, индикаторное давление, осредненная
температура рабочего тела и скорость тепловыделения при работе дизеля на альтернативных
и традиционном топливах

Fig. 5. Characteristics of processes inside the cylinder, indicator pressure, average temperature of the
working fluid and the rate of heat release during diesel operation on alternative and traditional fuels

 

Главным образом изменяется характер тепловыделения, что отражается на функции осредненной температуры рабочего тела и давления газов в цилиндре от угла ПКВ дизеля. При условии обеспечения неизменяемого УУОВТ работа дизеля на ДТ носит более постоянный характер на всем диапазоне нагрузок с ярко выраженным двухстадийным характером протекания и четкой границей диффузионного и кинетического сгорания. Одновременный впрыск двух различных по физическим свойствам топлив в разном соотношении модифицирует кривую тепловыделения и размывает границу раздела между кинетической и диффузионной областью горения. Если с увеличением цикловой подачи этанола доля тепла от кинетического сгорания возрастает, то для дизельного процесса характерна обратная тенденция – увеличение доли диффузионного сгорания с ростом нагрузки. При этом на режиме максимальной нагрузки полное тепловыделение соответствует лишь 78 % потребленного топлива. Этанол и рапсовое мало на этих нагрузках полностью сгорают в цилиндре.

Несмотря на рост УУОВТ на 4 градуса ПКВ, максимальное давление газов в цилиндре достигается на всем диапазоне нагрузок позже, чем на штатном двигателе (рис. 6). При этом максимальное давление газов в цилиндре ниже при всех нагрузках, кроме максимальной. На рисунке 7 показаны границы начала горения в цилиндре и общая продолжительность сгорания.

 

 

 

Рис. 6. Максимальное давление газов в цилиндре и угол достижения пиковой точки

Fig. 6. Maximum gas pressure in the cylinder and the angle of reaching the peak point

 

 

 

 

 

Рис. 7. Продолжительность и начало сгорания топлив в цилиндре двигателя

Fig. 7. Duration and start of fuel combustion in the engine cylinder

 

 

Если начало горения можно было четко определить по отрыву индикаторной диаграммы от кривой сжатия, то определение продолжительности горения имеет существенную погрешность. Тем не менее можно достоверно определить, что, несмотря на позднее начало сгорания, продолжительность сгорания при работе двигателя на этаноле и РМ увеличивается от 8 до 30 %.

Угол достижения максимальной температуры газов в цилиндре при работе двигателя на этиловом спирте и РМ имеет максимальные значения при малых нагрузках и постепенно снижается с ростом температуры газов в цилиндре (рис. 8). На максимальные осредненные значения температуры газов в цилиндре вид применяемого топлива не оказывает влияния, а качество процессов смесеобразования и сгорания в цилиндре отражается на экологических показателях работы дизеля (рис. 9).

 

 

 

Рис. 8. Значения максимальной осредненной температуры газов в цилиндре
и угол максимальной температуры газов в цилиндре

Fig. 8. Values of the maximum averaged temperature of gases in the cylinder
and the angle of the maximum temperature of gases in the cylinder

 

 

 

 

 

 

Рис. 9. Влияние применения этанола и РМ на экологические показатели работы дизеля
в зависимости от изменения нагрузки

Fig. 9. The effect of the use of ethanol and rapeseed oil on the environmental performance of diesel
depending on load changes

 

Обсуждение и заключение

Учитывая рост потребления исчерпаемых энергоресурсов нефтегазовой отрасли и увеличение нагрузки на экосистему, а также опираясь на анализ литературных источников, можно сделать вывод, что среди существующего многообразия методов и способов снижения токсичности и дымности ОГ ДВС с одновременной экономией нефтяного моторного топлива наиболее актуально применение в ДВС альтернативного топлива. В качестве альтернативного источника энергии обосновано применение этилового спирта и рапсового масла методом непосредственного впрыскивания в КС отдельными форсунками, что повышает надежность и скорость воспламенения топлива в цилиндре за счет пересечения факелов распыленного топлива. Рапсовое масло использовалось в качестве запального топлива, служащего в КС для воспламенения этилового спирта. Оптимизировав величину УУОВТ, мы получили приемлемую жесткость и высокую эффективность процессов сгорания и тепловыделения при минимальной токсичности ОГ.

Таким образом, на базе кафедры тепловых двигателей, автомобилей и тракторов в Вятском ГАТУ изучено влияние применения этанола в штатном тракторном дизеле с объемным смесеобразованием с организацией сгорания от факела запального рапсового масла. Также оптимизированы раздельные цикловые подачи для получения максимального энергетического и экологического эффекта.

В результате проведенного исследования авторы пришли к следующим выводам:

1. Применение этанола и запального РМ способно полностью заместить традиционное топливо нефтяного происхождения для действующего дизельного двигателя путем установки дополнительного топливного оборудования и модификации головки блока цилиндров для монтажа дополнительной форсунки.
2. Применение этанола и запального РМ позволяет повысить КПД работы двигателя на максимальных нагрузках и форсировать его за счет особенностей процесса сгорания, а также повысить номинальную мощность.
3. Использование этанола и РМ позволяет существенно улучшить экологические показатели работы дизеля как на номинальном, так и на форсированных режимах и в разы снизить дымность ОГ. При этом на треть снижаются выбросы оксидов азота и продукты неполного сгорания.

Для обеспечения эффективной и нетоксичной работы двигателя на этаноле и РМ на режимах малых нагрузок требуются дополнительные исследования.

 

 

¹           Лиханов В. А., Козлов А. Н. Моделирование сажевыделения в цилиндре дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на альтернативных топливах. Киров : Вятская ГСХА, 2019. 157 с. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=42742551 (дата обращения: 04.04.2022).

 

作者简介

Vitaly Likhanov

Vyatka State Agrotechnological University

编辑信件的主要联系方式.
Email: lihanov.va@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3033-7176
Researcher ID: AGN-7347-2022

Head of the Department of Heat Engines, automobiles and Tractors , Doctor of Technical Sciences, Professor

俄罗斯联邦, 133 Oktyabrskiy Prospekt, Kirov 610017

Oleg Lopatin

Vyatka State Agrotechnological University

Email: nirs_vsaa@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-0806-6878
Researcher ID: AAD-8374-2019

Professor of the Chair of Thermal Engines of Automobiles and Tractors, Dr.Sci. (Engr.), Associate Professor

俄罗斯联邦, 133 Oktyabrskiy Prospekt, Kirov 610017

参考

补充文件