На фоне неизбежного увеличения цен на нефтепродукты и ухудшающейся экологической обстановкой связанной, прежде всего, с увеличением количества энергоустановок работающих на жидком нефтяном топливе происходит усиленное внедрение альтернативных источников энергии. В работе представлены результаты экпериментальных исследований, проведенных на базе научно-исследовательской лаборатории кафедры тепловых двигатлей, автомобилей и тракторов Вятской государственной сельскохозяйственной академии, по улучшению экологических показателей дизеля 4Ч 11,0/12,5 путем применения ПГ, РОГ, МТЭ и ЭТЭ.
Экспериментальня тормозная установка включала электротормозной стенд SAK-N670 с балансирной маятниковой машиной, дизель 4Ч 11,0/12,5, измерительную аппаратуру, газобаллонное оборудование, оборудование для приготовления эмульсий (гомогенизатор MPW-302), систему РОГ. Отбор и анализ проб ОГ проводился на автоматической системе газового анализа АСГА-Т. Для проведения стендовых испытаний на ПГ (20 % – запальная порция дизельного топлива (ДТ) и 80 % – ПГ) была использована передвижная заправочная станция на базе тракторного прицепа 2ПТС-4 и газобаллонного оборудования [1, 2].
По результатам исследований стабильности МТЭ и ЭТЭ определено, что эмульсии с концентрацией спирта 50 % оптимальны, с точки зрения устойчивости к процессам разрушения. На наш взгляд, это связано с предельным повышением концентрации спирта в эмульсии, которая в данном случае переходит из «обратной» в «прямую», что делает невозможным воспламенение такого топлива в цилиндре дизеля. Это было подтверждено в ходе первичных испытаний на двигателе. Для всех исследуемых проб МТЭ и ЭТЭ определялась стабильность к процессу коалесценции, характеризующаяся временем до полного разделения пробы на углеводородную и спиртовую фазы. В результате проведенных исследований стабильности и первичных испытаний на двигателе в качестве оптимальных для дизеля 4Ч 11,0/12,5 были приняты эмульсии следующего состава [3]:
– МТЭ: метанол – 25 %, моющее-диспергирующая присадка сукцинимид С-5А – 0,5 %, вода – 7 %, ДТ – 67,5 %;
– ЭТЭ: этанол – 25 %, моющее-диспергирующая присадка сукцинимид С-5А – 0,5 %, вода – 7 %, ДТ – 67,5 %.
Несмотря на высокие результаты стабильности при исследованиях МТЭ и ЭТЭ, использование эмульсий с большим содержанием метанола и этанола невозможно в связи с повышенной «жесткостью» и пропусками воспламенения при работе дизеля. Все дальнейшие испытания дизеля проводились на эмульсиях данного состава.
Регулировочные характеристики в зависимости от изменения установочного УОВТ дизеля 4Ч 11,0/12,5 на частоте вращения 2200 мин-1 (номинальный скоростной режим) для мощностных и экономических показателей представлены на рис. 1 [4–6].
Рис. 1. Влияние применения ПГ и РОГ, МТЭ и ЭТЭ на мощностные и экономические показатели дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения установочного УОВТ при n = 2200 мин-1; – дизельный процесс; – газодизельный процесс; – газодизельный с РОГ 10 %; – газодизельный с РОГ 20 %; – ЭТЭ; – МТЭ
Анализ графиков, соответствующих работе газодизельного и газодизельного с РОГ процессов, показывает, что при работе по газодизельному и газодизельному с РОГ процессам установочный УОВТ по условию наилучшей экономичности составляет Θвпр = 23 °. Часовой расход топлива при газодизельном процессе и Θвпр = 23 ° составляет 11,4 кг/ч, а для газодизельного процесса с 10 %-ной РОГ 11,7 кг/ч, что больше на 2,8 %. Удельный эффективный расход топлива при Θвпр = 23 ° составляет 205 г/кВт·ч, а при газодизельном процессе с 10 %-ной РОГ 211 г/кВт·ч, что выше на 2,8 %. При увеличении и уменьшении УОВТ на газодизельном процессе с РОГ происходит возрастание удельного эффективного расхода топлива.
Анализируя графики работы дизеля 4Ч 11,0/12,5 на МТЭ и ЭТЭ можно констатировать, что при Θвпр = 23° достигаются также минимальные значения удельного эффективного расхода для МТЭ и ЭТЭ и удельного эффективного расхода ДТ в составе эмульсии. Здесь можно отметить, что меньшая теплота сгорания эмульсии, по сравнению с ДТ, ведет к повышению значений часового и удельного расходов топлива.
Таким образом, на установочном УОВТ Θвпр = 23 ° и номинальном режиме работы применение ПГ и РОГ, МТЭ и ЭТЭ приводит к значениям мощностных и экономических показателей работы дизеля 4Ч 11,0/12,5, представленным в табл. 1.
Таблица 1
Мощностные и экономические показатели работы дизеля 4Ч 11,0/12,5 на установочном УОВТ Θвпр = 23 ° и номинальном режиме (pе = 0,64 МПа, n = 2200 мин-1)
Дизель 4Ч 11,0/12,5 |
Мощностные и экономические показатели |
||||
Ne, кВт |
ge, г/(кВт·ч) |
ge ДТ прив., г/(кВт·ч) |
GТ, кг/ч |
GДТ прив., кг/ч |
|
Дизельный процесс |
55,3 |
243 |
– |
13,4 |
– |
Применение ПГ |
207 (снижение на 14,8 %) |
– |
11,4 (снижение на 14,9 %) |
– |
|
Применение ПГ и РОГ (10 %) |
212 (снижение на 12,8 %) |
– |
11,7 (снижение на 12,7 %) |
– |
|
Применение МТЭ |
316 (увеличение на 23,1 %) |
213 (снижение на 12,3 %) |
17,5 (увеличение на 23,4 %) |
11,8 (снижение на 11,9 %) |
|
Применение ЭТЭ |
297 (увеличение на 18,2 %) |
200 (снижение на 17,7 %) |
16,3 (увеличение на 17,8 %) |
11,0 (снижение на 17,9 %) |
Рис. 2. Влияние применения ПГ и РОГ, МТЭ и ЭТЭ на содержание токсичных компонентов в ОГ дизеля 4Ч 11,0/12,5 зависимости от изменения установочного угла опережения впрыскивания топлива при n = 2200 мин-1; – дизельный процесс; – газодизельный процесс; – газодизельный с РОГ 10 %; – газодизельный с РОГ 20 %; – ЭТЭ; – МТЭ
Содержание токсичных компонентов в ОГ дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения установочного УОВТ для частоты вращения 2200 мин-1 представлено на рис. 2 [7–9].
Анализ графиков, соответствующих работе газодизельного процесса показывает, что применение ПГ приводит к значительному снижению содержания в ОГ сажи, оксида и диоксида углерода, но вызывает рост суммарных углеводородов и оксидов азота. Применение же РОГ позволяет вернуть содержание оксидов азота в ОГ на уровень дизельного процесса. Так при работе газодизеля с 10 %-ной РОГ при Θвпр = 23 ° содержание NOх в ОГ составляет 1100 ppm, что ниже на 24,1 % при работе дизеля на ПГ [10].
Анализ содержания сажи в отработавших газах при работе по газодизельному процессу с РОГ и без неё показывает, что при увеличении установочного угла опережения впрыскивания топлива содержание сажи практически не возрастает. Концентрация сажи при газодизельном процессе с РОГ и без неё ниже дизельного процесса в 4…5 раз. Содержание СО и СО2 при работе по газодизельному процессу с РОГ так же уменьшается.
Содержание оксидов азота NOх в ОГ дизеля при работе на МТЭ и ЭТЭ на всех установочных УОВТ меньше, чем при работе на ДТ. Применение МТЭ и ЭТЭ так же позволяет значительно снизить содержание сажи, оксида и диоксида углерода в ОГ дизеля (табл. 2).
Таблица 2
Показатели токсичности и дымности ОГ дизеля 4Ч 11,0/12,5 на установочном УОВТ Θвпр = 23 ° и номинальном режиме (pе = 0,64 МПа, n = 2200 мин-1)
Дизель 4Ч 11,0/12,5 |
Содержание токсичных компонентов в ОГ |
||||
Оксиды азота, NOх, % |
Сажа, С, ед. по шкале bosch |
Диоксид угле рода, СО2, % |
Оксид углерода, СО, % |
Суммарные углеводороды, СНх, % |
|
Дизельный процесс |
1100 ppm |
5,8 ед. bosch |
10,9 % |
0,21 % |
0,11 % |
Применение ПГ |
1450 ppm (увеличение на 24,1 %) |
0,9 ед. bosch (снижение в 6,4 раза) |
5,6 % (снижение на 48,6 %) |
0,15 % (снижение на 28,6 %) |
0,40 % (увеличение в 3,6 раза) |
Применение ПГ и РОГ (10 %) |
1100 ppm (соответствует ДТ) |
1,0 ед. bosch (снижение в 5,8 раз) |
5,9 % (снижение на 45,9 %) |
0,16 % (снижение на 23,8 %) |
0,36 % (увеличение в 3,3 раза) |
Применение МТЭ |
775 ppm (снижение на 29,6 %) |
0,9 ед. bosch (снижение в 6,4 раза) |
9,8 % (снижение на 10,1 %) |
0,11 % (снижение на 47,6 %) |
0,22 % (увеличение в 2,0 раза) |
Применение ЭТЭ |
657 ppm (снижение на 40,3 %) |
1,2 ед. bosch (снижение в 4,8 раза) |
8,0 % (снижение на 26,6 %) |
0,15 % (снижение на 28,6 %) |
0,12 % (увеличение на 8,3 %) |
По результатам регулировочных характеристик в зависимости от изменения установочного УОВТ был выбран в качестве оптимального для газодизельного, газодизельного с РОГ процессов, для работы на МТЭ и ЭТЭ установочный УОВТ 23 градуса до верхней мертвой точки по мениску. Поскольку двигатель не имеет какого-либо устройства для быстрого изменения установочного УОВТ, это же значение рекомендовано и для дизельного процесса.
Таким образом, применение на дизеле 4Ч 11,0/12,5 ПГ с РОГ, МТЭ и ЭТЭ позволяет в достаточной мере снизить содержание в ОГ сажи С, оксидов азота NOх, оксида углерода СО и диоксида углерода СО2 при сохранении мощностных показателей работы.