Г.М. Кухарёнок, В.С. Ивашко, А.Н. Петрученко

Аннотация. Приведены результаты исследований по влиянию температуры подогрева рапсового масла на индикаторные показатели рабочего процесса дизеля. Предложена схема топливоподачи дизеля, обеспечивающая раздельную подачу дизельного топлива или подогретого рапсового масла.

Введение

Для преодоления энергетического кризиса в начале XXI развитие энергетики пошло по двум направлениям: использование альтернативных источников энергии (энергии ветра и солнца геотермальные источники, энергия приливов и т.д.); использование в тепловых энергоустановках альтернативных видов топлив, получаемых из возобновляемых и невозобновляемых ресурсов. Определенный интерес представляют топлива, получаемые из возобновляемых источников, например из растительного сырья, так называемые биотоплива. Они включают: этанол, метанол, диметиловый эфир, биогаз, биодизельное топливо, растительные масла.

Известны три способа применения рапсового масла в качестве моторного топлива: использование в чистом виде; в смесях рапсового масла и дизельного топлива; а также в виде продукта переработки – метилового или этилового эфира рапсового масла [1]. Каждый из этих способов имеет свои преимущества и недостатки. Технологически простым являются первый и второй способы использования рапсового масла, их реализацию можно осуществить как в крупных селькохозяйственных предприятиях, так и фермерских хозяйствах.

Перемешивание масла и дизельного топлива предполагает создание дополнительной инфраструктуры, связанной с хранением дизельного топлива, рапсового масла и их смесей, а также подготовкой смесей.

Использование рапсового масла в качестве моторного топлива сдерживается повышенным нагарообразованием, высокой вязкостью и коэффициентом поверхностного натяжения[2], что существенно ухудшает испаряемость топлива, кроме того цетановое число рапсового масла ниже, чем у дизельного топлива, это отрицательно влияет на пусковые качества дизеля.

Это можно осуществить за счет: увеличения степени сжатия; повышения температуры стенок камеры сгорания; разработки топливной системы приспособленной к работе на рапсовом масле. Однако такой дизель будет иметь достаточно высокую стоимость.

Второй способ – адаптация серийно выпускаемого двигателя к работе на рапсовом масле. Это можно осуществить за счет двухконтурной системы топливоподачи, обеспечивающей работу дизеля, как на рапсовом масле, так и на дизельном топливе. Пуск, прогрев дизеля и выжигание нагара осуществляется при работе на дизельном двигателе, основная работа выполняется на предварительно подогретом рапсовом масле. Нагрев масла уменьшает значения коэффициента поверхностного натяжения (σ_м) и динамической вязкости (μ_м).

Для определения рациональной температуры подогрева рапсового масла использован расчетно-экспериментальный метод [3,4].

Теоретическая часть

Для получения уравнений, позволяющих рассчитывать и для различных температур масла, использовались графические зависимости, приведенные в работе [5]:

• μ_м=(3*10*t⁴_м-8*10^-3*t³_м+0,107*t²_м-6,74*t_м+187)*ρ_м  (1)
• σ_м=34,1-0,051*t_м  (2)

С увеличением температуры масла уменьшаются не только σ< sub>м и μ_м но и его плотность. Приведенную в работе [5] зависимость плотности масла от температуры можно аппроксимировать с помощью уравнения:

• ρ_м=822-0,65*t_м  (3)

Моделирование проведено для режима С100 13-ти ступенчатого испытательного цикла ETC дизеля Д-249. Исходные данные соответствовали значениям, приведенным в работе [4]. Значение цетанового числа рапсового масла принято равным 40. Температура подогрева масла изменялась в пределах 20…100°С.

Анализ диаграмм (рис. 1) показывает, что при работе на рапсовом масле снижается максимальное давление сгорания на 6…8%. Значения максимального давления для рапсового масла при разных температур, не превышает 2%.

Рис. 1. Индикаторные диаграммы при работе на дизельном топливе и рапсовом масле при разных температурах подогрева

Максимальная скорость нарастания давления (dp|dφ) равная 0,5 МПа/град получена при применении дизельного топлива, для рапсового масла в зависимости от температуры подогрева dp|dφ а 17…28% ниже (табл. 1).

Переход на работу на рапсовом масле ведет к снижению максимальной температуры газов (Т_мах) (табл. 1), по сравнению с работой на дизельном топливе в среднем на 10…13%.

Таблица 1 – Индикаторные показатели дизеля при применении дизельного топлива и рапсового масла при различных температурах подогрева (цикловая подача топлива постоянная)

Применямое топливо	Pi, МПа	gi, г/(кВт∙ч)	z, МПа	Tmax, К	dp|dφ, МПа/град	α	ηi
ДТ	1,996	192,5	13,54	1731	0,5	1,71	0,44
Масло 20°С	1,709	232,762	12,438	с1537	0,381	1,88	0,4147
Масло 40°С	1,743	225,945	12,646	1560	0,409	1,92	0,4272
Масло 60°С	1,728	223,2	12,695	1563	0,412	1,95	0,4323
Масло 80°С	1,692	224,42	12,594	1539	0,393	1,98	0,43
Масло 100°С	1,636	228,438	12,385	1501	0,358	2,02	0,4225

Характер протекания индикаторных диаграмм и изменения температуры во многом определяется снижением теплотворности смеси. Кроме того рапсовое масло имеет физические свойства, определяющие условия распыливания и испарения топлива в цилиндре дизеля, отличающиеся от дизельного топлива. Коэффициент избытка воздуха α при использовании рапсового масла выше, чем при применении дизельного топлива, т.к. в нем содержится 12% кислорода.

Удельный индикаторный расход топлива (g_i) при переходе с дизельного топлива на рапсовое масло возрастает на 30…40 г/(кВт·ч) (~13…17 %), среднее индикаторное давление (р_i) уменьшается на 0,27…0,36 МПа (15…22%) (табл. 1). Отмеченное снижение P_i и увеличение расхода топлива связано с тем, что теплотворность рапсового масла на 13% ниже теплотворности дизельного топлива.

С увеличением температуры подогрева масла до 70 – 80°С среднее индикаторное давление растет, а удельный индикаторный расход топлива снижается, При указанной температуре индикаторный кпд (η_i) имеет наибольшее значение, которое практически равно кпд для дизельного топлива. Это свидетельствует о том, что при применении подогретого рапсового масла процесс сгорания протекает на том же уровне, что при работе на дизельном топливе.

При температуре масла 20°С η_i на 2% ниже. чем при температуре подогрева 100°С, однако при этом среднее индикаторное давление при температуре масла 20°С оказывается на 4,2% выше, чем при температуре 100°С. Относительно высокое значение среднего индикаторного давления при невысоких температурах подогрева обусловлено высокой массовой цикловой подачей топлива.

С точки зрения эффективного использования топлива на развернутом двигателе целесообразно использовать рапсовое масло, подогретое до температур, обеспечивающих максимальное значение индикаторного кпд.

Экспериментальная часть

В ОГК Минского моторного завода была проведена экспериментальная оценка мощностно-экономических и экологических показателей дизеля Д-245.2S2.

На двигателе была смонтирована система, осуществляющая возможность попеременной подачи двух видов топлива.

Рапсовое масло подогревалось в серийном жидкостно-масляном теплообменнике ТЖМ-6500.

Испытания проводились в лаборатории на стенде, укомплектованном электробалансирной машиной 1DS 1036 N, приборами и оборудованием обеспечивающими точность измерений в соответствие с ГОСТ 18509.

Расход топлива измерялся расходомером ЛСИ 500.101.Э3.1.Дымность ОГ замерялась дымомером AVL439 по методике Правил 24-03 ЕЭК ООН.

Выбросы оксидов азота (NO_x) измерялись датчиком Continental Uninox Sensor 5WK9 6622A по методике Правил 96-02 ЕЭК ООН.

Определение содержания окислов азота (NO_x) в отработавших газах дизеля производилось путем снятия циклов токсичности согласно Правилам № 96 ЕЭК ООН. Результаты испытаний двигателя при работе на рапсовом масле и дизельном топливе представлены на рис. 2.

Как видно из результатов испытаний, при работе двигателя на рапсовом масле произошло падение мощности (Ne) двигателя по всей внешней скоростной характеристике на 1,7…6,8 кВт, причем на режиме номинальной мощности при n=2200 мин^-1 оно составило 5,6 кВт, а на режиме максимального крутящего момента при n=1600 мин^-1 – 6,3 кВт. Удельный эффективный расход топлива при этом вырос на 25,6…33,9 г/(кВт·ч) по всей ВСХ, а на режимах номинальной мощности и максимального крутящего момента на 33,9 и 31,9 г/(кВт·ч) соответственно.

Рис. 2. Внешняя скоростная характеристика дизеля 4ЧН11×12,5 при применении подогретого рапсового масла и дизельного топлива

Эффективный кпд двигателя при работе на рапсовом масле остается на том же уровне, что и при работе на дизельном топливе.

Дымность ОГ при работе двигателя на рапсовом масле снизилась по всей ВСХ практически в два раза. Количество же выбросов азота при работе на рапсовом масле увеличилось на 1,27 г/(кВт·ч) (или на 20,5%) – с 6,17 г/(кВт·ч) (при работе на ДТ) до 7,44 г/(кВт·ч) (при работе на рапсовом масле).
Двухконтурная система топливоподачи дизеля

Для применения рапсового масла в качестве моторного топлива предложена система топливоподачи, имеющая две линии низкого и одну высокого давления (рис. 3). Линия низкого давления для рапсового масла (на схеме ее элементы выделены зеленым) содержит соответственно фильтры грубой (ФГО) и тонкой очистки масла (ФТО), масляный насос (электрический ТПН) и теплообменник, золотниковый распределитель и обратный клапан. Масляный насос с электрическим приводом обеспечивает циркуляцию масла по контуру низкого давления. Золотниковый распределитель, включенный в линию низкого давления рапсового масла, обеспечивает циркуляцию масла через теплообменник при работе двигателя на дизельном топливе. Подогрев рапсового масла осуществляется охлаждающей жидкостью. Для ускорения нагрева масла применен двухпозиционный золотник-распределитель, который при прогреве двигателя обеспечивает соединение линии низкого давления дизельного топливом с ТНВД, а линию низкого давления рапсового масла замыкает на вход насоса. В то же время второй золотник-распределитель соединяет обратный поток дизельного топлива с входом в топливный насос низкого давления, линия обратного потока рапсового масла закрыта. После достижения требуемой температуры масла, золотники должны занять другие крайние положения: первый должен перекрыть подачу дизельного топлива и открыть поток рапсового масла к ТНВД. Второй соединяет линию обратного потока с входом электрического насоса, обеспечивающего циркуляцию рапсового масла, и прекращает ее соединение с топливоподкачивающим насосом, обеспечивающим течение дизельного топлива. Для синхронизации управления работой обоих золотников-распределителей используется электромагнитный привод.

Рис. 3. Двухконтурная система топливоподачи дизеля

• — линия высокого давления;
• — линия низкого давления дизельного топлива;
• — линия низкого давления рапсового масла.

Предложенная на рис. 3 схема получила свою реализацию на дизельном двигателе 4ЧН 11/12,5 (рис. 4, 5). Управление работой насоса и золотниковых распределителей осуществляется с помощью реле, установленных в корпусе 6. Пуск и прогрев двигателя осуществляется на дизельном топливе. Для работы на дизельном топливе тумблер переключения переводится в соответствующее положение. Реле управления подает напряжение на электромагниты, которые перемещают золотники распределителей 1 и 2 (рис. 4), в результате входы и выходы головки топливного насоса 3 соединяются соответственно с фильтром тонкой очистки дизельного топлива 4 и топливоподкачивающим насосом 5. Одновременно управляющий импульс подается на электромагнит дополнительного распределителя 7 (рис. 5), который перемещает золотник в положение, позволяющее беспрепятственно циркулировать рапсовому маслу через теплообменник 8 и фильтр тонкой очистки рапсового масла 9. Циркуляция рапсового масла по контуру осуществляется с помощью насоса 10, для управления работой которого предусмотрено отдельное реле, расположенной в корпусе 6. На подогрев масла оказывают влияние охлаждающая жидкость в теплообменнике 8 и топливный насос 10. Золотник распределителя 11 во время работы двигателя на рапсовом масле препятствует поступлению рапсового масла из топливного бака в фильтр грубой очистки рапсового масла 12.

Рис. 4. Дизельный двигатель с двухконтурной системой топливоподачи

При достижении температуры охлаждающей жидкости 80°С температура масла начинает попадать в рекомендуемый диапазон температур 75±5°С. Это означает можно переходить на работу на рапсовом масле. Для этого необходимо подать соответствующие управляющие импульсы на электромагниты распределителей 1 и 2. Одновременно перемещается золотник распределителя 7, в результате рапсовое масло направляется на распределитель 1.Происходит также изменение в работе распределителя 11, он соединяет топливный бак, содержащий рапсовое маслом с фильтром 12. В дальнейшем топливная система работает в штатном режиме: рапсовое масло подается насосом 10 в теплообменник 8 и далее поступает в фильтр тонкой очистки 9. Очищенное и подогретое масло поступает в головку топливного насоса высокого давления 3. Излишки топлива поступают на вход насоса 10. Распределитель 11 в нашем случае выполняет роль обратного клапана, его установка способствовала снижению сопротивления на всасывании, что повышает надежность работы системы.

Рис. 5. Установка дополнительных распределителей управления подачей и подогревом рапсового масла

Перед остановкой двигателя необходимо осуществить переход двигателя на дизельное топливо. В силу не незначительности объемов подводящего топливопровода и головки топливного насоса двигатель в течение достаточно короткого времени (менее 1 мин) переходит на работу на другом топливе. Одновременно выключается топливный насос 10.

Заключение

1. Определены показатели рабочего процесса дизеля при применении рапсового масла. Рекомендуется применения в дизелях рапсового масла подогретого до температуры 75±5°С.

2. Разработана система топливоподачи дизеля, обеспечивающая раздельную подачу дизельного топлива или подогретого рапсового масла.

Список использованных источников

1.Кулманаков C.П., Семенов Р.С. Особенности рабочего процесса дизельного двигателя при использовании смесей рапсового масла и дизельного топлива/ C.П. Кулманаков, Р.С. Семенов // Ползуновский вестник. – 2007. – № 4. – С. 55-58.

2.Марков В.А., Стремяков А.В., Девянин С.Н.Работа транспортного дизеляна смесях дизельного топлива и рапсового масла / В.А. Марков, А.В. Стремяков, С.Н. Девянин // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана Сер. «Машиностроение». – 2010. – № 1. – С. 87-101.

3. Кухаренок, Г.М. Пусковые качества дизелей с аккумуляторной системой топливоподачи / Г.М. Кухаренок, А.Н. Марчук, А.Н. Петрученко. – Минск : БНТУ, 2012. – 173 с.

4. Кухаренок, Г.М. Снижение выбросов вредных веществ дизельных двигателей / Г.М. Кухаренок, А.Н. Петрученко, В.И. Березун– М. : Новое знание, 2014. – 220 с.

5. Матиевский, Д.Д. Применение топлива на основе рапсового масла в дизелях/ Д.Д. Матиевский, С.П. Кулманаков, С.В. Лебедев, А.В. Шашев // Ползуновский вестник. – 2006. – № 4. – С. 118-127.

Кухарёнок Георгий Михайлович – докт. техн. наук, профессор, заведующий кафедройдвигатели внутреннего сгорания Белорусского национального технического университета e-mail:Kux@Tyt.by.

Ивашко Виктор Сергеевич -докт. техн. наук, профессор, заведующий кафедройтехническая эксплуатация автомобилей Белорусского национального технического университета e-mail: vsivashko@bntu,tut,by.

Петрученко Александр Николаевич – канд. техн. наук, доцент, доцент кафедрыдвигатели внутреннего сгорания Белорусского Национального технического университета e-mail:Anpetru@Mail.ru.