УЛУЧШЕНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ ПРИ ЕГО РАБОТЕ НА БИОТОПЛИВЕ ЗА СЧЕТ ОПТИМИЗАЦИИ ВПРЫСКА

 

Черненко С.М., Шевченко С.А. (КНУ имени Михаила Остроградского г. Кременчуг, Полтавская обл., Украина)

 

Improvement of economic indicators of the diesel engine at its work on biofuel for the account of optimisation of injection.

 

В Украине принят ряд законопроектов о внедрении альтернативных видов топлива. Среди них Закон Украины «Об альтернативных источниках энергии» подписан Президентом Украины  20 февраля 2003 года №555-IV, Постановление Кабинета Министров Украины от 22 декабря в 2006 г. № 1774 «Об утверждении Программы развития производства дизельного биотоплива».

Цель Программы заключается в повышении уровня экологической и энергетической безопасности Украины, уменьшении зависимости национальной экономики от импорта нефтепродуктов, обеспечение аграрного сектора экономики и транспортной отрасли дизельным биотопливом. В соответствии с данной Программой в КНУ имени М. Остроградского проводятся исследования биотоплива, изготовленного из растительного сырья (рапсового масла и др.)

Предыдущими исследованиями, которые проводились в КНУ имени М. Остроградского, Житомирском государственном техническом университете, Восточноукраинском национальном университете имени В. Даля, НТУ «ХПИ», установлено, что работа дизельного двигателя на биотопливе из рапса сопровождается увеличением расхода топлива до 20 %, снижением эффективного КПД до 5 %. Одна из причин этого – ухудшение параметров впрыска биодизельного топлива в сравнении с дизельным за счет большей плотности и вязкости биодизеля.

Целью данной работы является анализ возможностей улучшения топливно-экономических показателей двигателя с непосредственным впрыском при работе на биотопливе за счет приближения параметров впрыска биодизеля к дизельному топливу.

Задачи работы:

1. Разработка математической модели процесса впрыска дизельного и биодизельного топлива.

2. Проведение экспериментальных исследований параметров впрыска дизельного и биодизельного топлива и сравнения теоретических расчетов с экспериментальными данными.

3. Проведение экспериментальных исследований работы двигателя на подогретом топливе.

4. Проведение анализа полученных результатов.

Исследования параметров впрыска дизельного топлива через форсунку описаны в работах таких ученых, как И.В. Астахова, Д.М. Вырубова, И.О. Угловой, М.М. Кухарева, О.М. Лебедева, А.С. Лышевского, Р.В.Русинова, Ю.Б. Свиридова, В.Г. Семенова, В.И. Трусова и других.

Так, А.С. Лышевский предложил методику расчета движения фронта струи по средним параметрам за процесс впрыска. Идея методики заключается в том, что скорость и траектория движения факела распыленного топлива находятся по характеристикам движения единичной капли в потоке газа. При этом газовый факел или его часть заменяется эквивалентной каплей, которая двигается в среде с сопротивлением. Для достижения необходимой достоверности расчетов в них вводят эмпирические критерии, полученные вследствие обработки экспериментальных данных. Для проведения расчетов была использована методика А.С. Лышевского, как наиболее универсальная и менее трудоемкая.

В формулах для расчета показателей факела распыленного топлива А.С. Лышевский предложил использовать следующие критерии:

- критерий Вебера     ;

- критерий М               ;

- критерий нестационарности процесса ,

где  – скорость истечения топлива из распыливающего отверстия, м/c; dс – диаметр распыливающего отверстия, м;  – плотность топлива, кг/м3; – коэффициент поверхностного натяжения топлива, Н/м;  – коэффициент динамической вязкости топлива, Па·с;  – время от начала впрыска, с.


Расчеты проводились для впрыска топлива через форсунку дизель-генераторной установки модели TD170F, которая представляет собой одноцилиндровый двигатель с нагрузочным генератором (см. рис.3). Форсунка от двигателя TD170F – это закрытая форсунка, которая имеет три распыливающих отверстия. При проведенные расчетов по методике А.С. Лышевского, достаточно провести один эксперимент. Благодаря этому эксперименту были определены эмпирические коэффициенты и проведен расчет параметров впрыска дизельного и биодизельного топлива при давлении  25 МПа.

 

Рисунок 1- Зависимость длины факела от времени при давлении впрыска

 

Параметры распыливания топлива во время впрыска, а именно длина и угол раскрытия струи топлива, распыленного форсункой от двигателя TD170F, определялись следующим образом. С помощью стенда для испытания форсунок производился впрыск поочерёдно дизельным и биодизельным топливом при установленном давлении 25 МПа. С помощью цифрового фотоаппарата, настроенного на видеосъемку в спортивном режиме (60 кадров за секунду), фиксировался процесс впрыска. Полученные видеофайлы разбивались на кадры. На полученных кадрах графическим методом определялись длина и угол раскрытия струи топлива.


По результатам расчетов и экспериментов построены графики зависимостей длины и угла раскрытия струи топлива от времени впрыска (см. рис.1 и рис.2).

Рисунок 2 – Зависимость угла раскрытия факела от времени при давлении впрыска

 


Анализ полученных данных показал, что расчетные и экспериментальные данные практически совпадают. При этом наблюдается увеличение длины факела на 8% и уменьшение угла раскрытия на 20% для биодизеля.

 

Рисунок 3 – Экспериментальная установка

 

Для определения параметров работы двигателя TD170F на дизельном топливе и биотопливе, подогретом перед впрыскиванием, проводился эксперимент на дизель-генераторной установке (рис. 3). Она состоит из одноцилиндрового двигателя TD170F (1), и электрического генератора DG3LE (2).

Максимальная мощность генератора 2 кВт при 3600 об/мин, максимальное напряжение 230 В, частота тока 60 Гц. Для нагрузки генератора используются нагружающие резисторы общей мощностью 2 кВт и сопротивлением 24 Ом.

Во время проведения эксперимента измерялись сила тока, напряжение на клеммах генератора, температура отработавших газов, расход воздуха, объемный расход топлива, оптическая дымность отработавших газов. Использовалось следующие приборы: амперметр, вольтметр, хромель-копелевая термопара, прибор КСП-4 (3), турбинный расходомер "Турбоквант" (4), индикатор TQI-024 (5). Объемный расход топлива измерялся с помощью специально изготовленного расходомера (6) и цифрового тахометра (7). Для подогрева биотоплива перед впрыском между ТНВД двигателя и расходомером устанавливался подогреватель и термопара для контроля температуры топлива.

Во время проведения эксперимента после прогрева установки снимались показатели по очереди на четырех режимах нагружения, которые соответствуют различной мощности двигателя. На каждом из режимов проводилось по четыре намерения расхода топлива, воздуха, снимались показатели амперметра и вольтметра, фиксировалась температура отработанных газов.


По результатам испытаний определялись эффективная мощность двигателя, удельный эффективный расход топлива, часовой расход топлива и эффективный КПД двигателя. Зависимость удельного эффективного расхода топлива от нагрузки представлена на рис. 4.

 Рисунок 4 – Зависимость удельного эффективного расхода топлива от нагрузки

 

Анализ полученных результатов показал, что при работе двигателя на биодизельном топливе в сравнении со стандартным дизельным топливом удельный эффективный расход  увеличивается в среднем на 98,5 г/кВтּчас (22,4%), часовой расход топлива увеличивается на 0,12 кг/ч (20,9%), КПД двигателя снижается на 7,3%. Из анализа рис. 5 следует, что во время подогрева биотоплива перед впрыскиванием КПД двигателя сначала возрастает, а затем снижается. Максимальный КПД наблюдается при температуре подогрева топлива 72-73˚С и составляет ηe=21,8%, что больше на 1,8% в сравнении с КПД на том же биотопливе при температуре перед впрыскиванием 20˚С и меньше на 0,45% в сравнении с КПД на дизельном топливе при температуре впрыска 20˚С.


Рисунок 5 – Зависимость КПД двигателя от температуры впрыска биотоплива

 

Таким образом, в результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы.

1.  Одним из путей приближения параметров впрыска биодизеля к традиционному дизельному топливу есть его подогрев. За счет этого уменьшается плотность, вязкость и коэффициент поверхностного натяжения.

2.  Одного подогрева биотоплива перед впрыскиванием недостаточно для полного использования его потенциала, так как КПД двигателя при работе на биотопливе все еще ниже  КПД двигателя при его работе на дизельном топливе.

3.  В последующих исследованиях нужно провести серию экспериментов с подогревом биотоплива перед впрыскиванием на разных двигателях с непосредственным смесеобразованием для возможности анализа влияния различных факторов на эффективный КПД двигателя.

Литература

1.   Постановление Кабинета Министров Украины от 22 декабря в 2006 г. № 1774 «Об утверждении Программы развития производства дизельного биотоплива».

2.  Разлейцев Н.Ф. Моделирование и оптимизация процесса сгорания в дизелях. – Харьков: Вища школа Изд. при Харьк. ун-те, 1980. – 169с.