Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,580

ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНЫХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДИЗЕЛЯ 4Ч 11,0/12,5 ПРИ РАБОТЕ НА ПРИРОДНОМ ГАЗЕ С РЕЦИРКУЛЯЦИЕЙ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ, МЕТАНОЛО- И ЭТАНОЛО-ТОПЛИВНЫХ ЭМУЛЬСИЯХ

Лиханов В.А. 1 Лопатин О.П. 1
1 ФГБОУ ВПО «Вятская государственная сельскохозяйственная академия»
Проведены исследования с целью определения и оптимизации основных параметров работы дизеля размерности 4Ч 11,0/12,5 по влиянию применения природного газа (ПГ), рециркуляции отработавших газов (РОГ), метаноло-топливной эмульсии (МТЭ) и этаноло-топливной эмульсии (ЭТЭ) на мощностные и экономические характеристики, показатели токсичности и дымности отработавших газов (ОГ). В результате проведенных исследований стабильности и первичных испытаний на указанном дизеле определены оптимальные составы эмульсий, а при работе ПГ с РОГ определена оптимальная порция запального дизельного топлива. Обосновано значение оптимального установочного угла опережения впрыскивания топлива (УОВТ) при работе на ПГ с РОГ, МТЭ и ЭТЭ, получены экспериментальные зависимости, доказывающие надежное снижение содержания сажи С, оксидов азота NOх, оксида углерода СО и диоксида углерода СО2 в ОГ дизеля 4Ч 11,0/12,5 при сохранении мощностных показателей работы.
дизель
природный газ
рециркуляция отработавших газов
метаноло-топливная эмульсия
этаноло-топливная эмульсия
токсичность
1. Лиханов В.А., Лопатин О.П. Применение природного газа и рециркуляции на тракторном дизеле 4Ч 11,0/12,5 // Тракторы и сельскохозяйственные машины. – 2014. – № 6. С. 7–9.
2. Лиханов В.А., Лопатин О.П. Снижение содержания оксидов азота в отработавших газах дизеля с турбонаддувом путем применения природного газа // Тракторы и сельскохозяйственные машины. – 2010. – № 1. – С. 11–13.
3. Лиханов В.А., Лопатин О.П. Снижение содержания оксидов азота в отработавших газах дизеля 4Ч 11,0/12,5 путем применения этаноло-топливной эмульсии // Транспорт на альтернативном топливе. – 2012. – № 4. – С. 14–16.
4. Лиханов В.А., Лопатин О.П. Образование и нейтрализация оксидов азота в цилиндре газодизеля: Монография. – Киров: Вятская ГСХА, 2004. – 106 с.
5. Лиханов В.А., Лопатин О.П. Улучшение экологических показателей дизеля 4Ч 11.0/12.5 путем применения природного газа и рециркуляции // Транспорт на альтернативном топливе. – 2014. – № 6. – С. 7–9.
6. Лиханов В.А., Лопатин О.П. Улучшение экологических показателей дизеля путем применения этаноло-топливной эмульсии // Тракторы и сельскохозяйственные машины. – 2013. – № 2. – С. 6–7.
7. Лиханов В.А., Лопатин О.П. Улучшение экологических показателей дизеля с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха // Тракторы и сельскохозяйственные машины. – 2011. – № 2. – С. 6–7.
8. Лопатин О.П., Лиханов В.А. Улучшение эксплуатационных показателей дизеля 4Ч 11,0/12,5 путем применения этаноло-топливной эмульсии // Известия Международной академии аграрного образования. – 2013. – Т. 4, № 16. – С. 170–173.
9. Лиханов В.А., Лопатин О.П. Улучшение эксплуатационных показателей тракторного дизеля Д-240 путем применения этаноло-топливной эмульсии // Пермский аграрный вестник. – 2013. – № 1. – С. 29–32.
10. Пат. RU 2260706 C1. Устройство для регулирования перепуска отработавших газов во впускной трубопровод двигателя внутреннего сгорания / В.А. Лиханов, О.П. Лопатин, 2004. – 4 с.

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].

lih1.tif

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; lih1a.wmf – дизельный процесс; lih1b.wmf – газодизельный процесс; lih1c.wmf – газодизельный с РОГ 10 %; lih1d.wmf – газодизельный с РОГ 20 %; lih1e.wmf – ЭТЭ; lih1k.wmf – 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 %)

lih2.tif

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; lih1a.wmf – дизельный процесс; lih1b.wmf – газодизельный процесс; lih1c.wmf – газодизельный с РОГ 10 %; lih1d.wmf – газодизельный с РОГ 20 %; lih1e.wmf – ЭТЭ; lih1k.wmf – 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.



Библиографическая ссылка

Лиханов В.А., Лопатин О.П. ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНЫХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДИЗЕЛЯ 4Ч 11,0/12,5 ПРИ РАБОТЕ НА ПРИРОДНОМ ГАЗЕ С РЕЦИРКУЛЯЦИЕЙ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ, МЕТАНОЛО- И ЭТАНОЛО-ТОПЛИВНЫХ ЭМУЛЬСИЯХ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2015. – № 5-1. – С. 22-25;
URL: http://www.applied-research.ru/ru/article/view?id=6749 (дата обращения: 03.03.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074