ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С РАЗНЫМИ УСЛОВИЯМИ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ ПРИ РАБОТЕ НА БИОДИЗЕЛЬНОМ ТОПЛИВЕ

 

Шапко В.Ф., Черненко С.М., Атамась А.И., Горпинченко А.Ю.

(КНУ имени Михаила Остроградского, г. Кременчуг, Полтавская обл., Украина)

 

Results of the studies of the diesel engines to ecological factors with miscellaneous condition of mixture’s formation in operation on biodiesel fuel in comparison with standard diesel fuel are led. The explored influence of fat acid and element compositions of biodiesel fuel. The organized comparison of received result with factor of the diesel engine with prepared a camera of combustion.

 

Одними из важнейших показателей двигателя внутреннего сгорания (ДВС) являются экологические показатели, требования к которым постоянно ужесточаются. Повысить экологические показатели ДВЗ возможно использованием альтернативных топлив.

Использование многих альтернативных видов топлива позволяет снизить вредные выбросы за счет более полного сгорания и некоторых изменений в протекании рабочего процесса ДВС. Особенный интерес вызывают альтернативные топлива, полученные из возобновляемых  природных ресурсов.

Одним из таких альтернативных топлив для дизельных двигателей является биодизельное топливо (БТ), которое представляет собой производные растительных масел и жиров животного происхождения. БТ может использоваться без значительных изменений в конструкции двигателя и смешиваться со стандартным дизельным топливом (ДТ) в любой пропорции.

В результате анализа предыдущих исследований было обнаружено, что в мире широко проводились испытания двигателей работающих на БТ и его смесях с дизельным топливом [1], [2]. Испытания проводились при работе ДВC на БТ, сырьем для которых были разные масла [2], на двигателях с разделенными и неразделенными камерами сгорания [1], [2].

Данными исследованиями установлено, что во время работы дизельных двигателей на БТ правнению с ДТ наблюдается уменьшение выбросов продуктов неполного сгорания, в частности окиси углерода (СО), углеводородов (CnHm) и твердых частиц (С). Кроме того, дисперсность частиц сажи, которая образуется во время сгорания БТ более низкая сравнительно с частицами, которые образуются при работе на стандартном ДТ [2]. Что касается выбросов окислов азота (NOx), то в некоторых случаях было зафиксировано их повышение, а некоторых – наоборот, снижение.

Таким образом, не до конца выясненным остается вопрос, какие факторы и каким образом влияют на экологические показатели дизельных двигателей, которые работают на биотопливе. В связи с этим целью данной работы  является:

- исследование влияния жирнокислотного и элементного состава биодизельного топлива на формирование экологических показателей дизельного двигателя;

- экспериментальные исследования экологических показателей дизельного двигателя с неразделенной камерой сгорания во время работы на БТ в сравнении со стандартным ДТ;

- сравнение полученных результатов с показателями дизельного двигателя с разделенной камерой сгорания.

Для исследования влияния жирнокислотного и элементного состава биодизельного топлива на формирование экологических показателей дизельного двигателя использовались следующие образцы топлива: метиловые эфиры рапсового масла (МЭРМ), метиловые эфиры соевого масла (МЭСМ) и метиловые эфиры говяжьего жира (МЭГЖ).

Жирнокислотный состав биодизельных топлив определялся путем газожидкостной хроматографии данных образцов.

Основным показателем, который характеризует жирнокислотный состав БТ, есть индекс ненасыщенности ИН [3], который определяется по формуле [2]

,

где  – произведение содержания (в % по массе) ненасыщенных жирных кислот и количества двойных связей в каждой кислоте.

Большее значение ИН характеризует высшую реакционную способность топлива через наличие большего количества двойных связей.

Элементный состав топлив определялся по методике, приведенной в работе [4]. Результаты определения элементного состава и индекса ненасыщенности  образцов БТ приведены в табл.1.

 

Таблица 1 – Сравнение состава биодизельных топлив растительного и животного происхождений

Образец топлива

Индекс ненасыщенности

Массовые доли химических элементов, %

МЭРМ

1,43

77,17

11,97

10,86

МЭСМ

1,53

76,75

11,78

11,47

МЭГЖ

0,985

76,28

12,08

11,64

 

Определение экологических показателей дизельного двигателя во время работы на отмеченных образцах БТ проводилось в Восточноукраинском национальном университете им. В. Даля. Испытания проводились на дизельном одноцилиндровом четырехтактном вихрекамерном двигателе 1Ч8,5/11 мощностью 1,94 кВт при частоте вращения коленчатого вала 1000 об/мин [1].

Результаты испытаний двигателя 5Д2 приведены в табл. 2.

 

Таблица 2 – Результаты испытаний двигателя 5Д2 во время работы на БТ в сравнении с ДТ

Показатели

ДТ «Л»

МЭРМ

МЭСМ

МЭГЖ

Значение показателя

Отличие от ДТ,  %

Значение показателя

Отличие от ДТ , %

Значение показателя

Отличие от ДТ , %

КПД двигателя

0,236

0,248

5,1

0,239

1,3

0,229

- 3,0

Температура отработавших газов, оС

309

296

- 4,2

303

- 1,94

310

0,32

Температура в вихревой камере сгорания, оС

589

655

11,2

584

- 0,85

573

- 2,72

Коэффициент избытка воздуха

1,98

2,06

4

1,92

- 3,0

1,88

- 5,05

СО, млн-1

373

246

- 34

254

- 32

257

- 31,0

NOx, млн-1

606

670

10,6

603

- 0,5

558

- 7,9

Сажа, г/м3

0,185

0,074

- 60

0,0711

- 61,6

0,0679

- 63,3

 

Из анализа таблицы 2 видно, что при работе двигателя на МЭГЖ наблюдается снижение КПД двигателя и повышения выбросов СО в отработавших газах сравнительно с МЭРМ и МЭСМ. Это можно объяснить большим содержанием метиловых эфиров ненасыщенных жирных кислот в БТ растительного происхождения, которые являются более реакционноспособными.

Об этом свидетельствует увеличение средней температуры в вихревой камере сгорания и, как следствие, повышение выбросов окислов азота. Наибольшие выбросы сажи в отработавших газах наблюдаются во время работы на МЭРМ, которые имеют наибольшее содержание углерода  но наименьшее содержание кислорода .

Исследования экологических показателей дизельного двигателя с неразделенной камерой сгорания проводились в КНУ им. М. Остроградского. Объект испытаний – дизельный восьмицилиндровый четырехтактный двигатель с непосредственным впрыском топлива 8ЧН13/14 (ЯМЗ-238М2). В качестве нагрузочного устройства на стенде использовался электрический генератор постоянного тока типа МПБ-42,3/30 с балансирной установкой статора, который соединен с весовым устройством типа ЗКМ-1 для измерения величин нагрузки. Расход топлива измерялся объёмным методом. Температура отработавших газов в выпускном трубопроводе фиксировалась хромель-копелевой термопарой (ТОГ). Испытания проводились на режимах мощности двигателя от 0 до 58,8 кВт при  частоте вращения коленчатого вала 1000 об/мин.

Исследуемым образцом биодизельного топлива были метиловые эфиры жирных кислот смеси соевого и подсолнечного масла, полученные в компании «Биодизель-Днепр». Жирнокислотный и элементный состав данного образца БТ близкий к составу МЭРМ: ИН = 1,464; = 77,2 %; = 11,9 %; = 10,9 %. Исследования проводились в сравнении с ДТ производства Кременчугского нефтеперерабатывающего завода (КНПЗ). Результаты испытаний приведены в табл. 3. Сравнения результатов испытаний двигателей с разными условиями смесеобразования приведены в табл. 4.

 

Таблица 3 – Экологические показатели дизельного двигателя ЯМЗ – 238 М2 во время работы дизельном и биодизельном топливах

,

кВт

, %

Концентрация СО, %

Концентрация СnНm, млн-1

Оптическая дымность, %

ДТ

БТ

Отличие

ДТ

БТ

Отличие

ДТ

БТ

Отличие

0

0

0,061

0,053

-13,11

32

27

-15,63

3,58

2,58

-27,9

14,7

15,92

0,054

0,049

-9,26

31

27

-12,90

4,20

3,05

-27,4

29,4

31,84

0,053

0,046

-13,21

32

28

-12,50

5,58

4,03

-27,8

44,1

47,75

0,056

0,047

-16,07

35

31

-11,43

8,90

6,45

-27,5

58,8

63,66

0,063

0,051

-19,05

39

34

-12,821

22,5

16,3

-27,6

 

Таблица 4 – Сравнение результатов испытаний двигателей с разными условиями смесеобразования

Показатели

ЯМЗ – 238 М2

5Д2

ДТ

БТ

Отличие, %

ДТ

БТ

Отличие, %

Нагрузка %

63,66

66,14

Эффективный КПД

0,335

0,291

-13,1

0,236

0,248

5,1

ТОГ, оС

300

301,5

0,5

309

296

-4,2

Коэффициент избытка воздуха

2,04

1,78

-12,75

1,98

2,06

4,0

NOx, чнм

-

-

-

606

670

10,6

СО %

630

510

-19,05

373

246

-34,05

Сажа, г/м3

0,157

0,125

-20,4

0,185

0,074

-60

 

Из анализа табл. 4 видно, что большее снижение выбросов продуктов неполного сгорания во время работы на БТ в сравнении из ДТ наблюдается во время работы двигателя с разделенной камерой сгорания. При этом можно допустить, что вихрекамерное смесеобразования нивелирует недостатки смесеобразования с непосредственным впрыском при использовании БТ. К таким недостаткам можно отнести увеличение дальнобойности топливного факела и увеличения среднего диаметра капель топлива, которое приводит к увеличению доли поверхностного смесеобразования на относительно холодных стенках камеры сгорания. В вихрекамерном дизеле происходит интенсивное перемешивание БТ с воздухом и подогрев от стенок вихревой камеры. Последнее активизирует влияние молекулярного кислорода (около 10%) с водородом и углеродом, которые находятся в биодизельном топливе. После этого БТ попадает в высокоинтенсивный воздушный вихрь и эффективно сгорает.

В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

- во время работы дизельных двигателей на БТ наблюдается уменьшение продуктов неполного сгорания в отработавших газах;

- повышение индекса ненасыщенности приводит к повышению эффективного КПД двигателя и концентрации окислов азота в отработавших газах;

- большее снижение концентрации продуктов неполного сгорания наблюдается во время работы двигателя с разделенной камерой сгорания;

- для повышения экологических показателей двигателей с неразделенной камерой сгорания необходимы, с одной стороны,  мероприятия, направленные на повышение полноты сгорания топлива, а, с другой стороны, мероприятия, направленные на снижение выбросов окислов азота.

Литература

1. Девянин С. Н., Марков В. А., Семенов В. Г. Растительные масла и топлива на их основе для дизельных двигателей. – Х.: Новое слово, 2007. – 452 с.

2. Васильев И. П. Влияние топлив растительного происхождения на экологические и экономические показатели дизеля: монография. –  Луганск: Изд-во ВНУ им. В. Даля, 2009. – 240 с.

3. Семенов В. Г., Васильєв І. П., Атамась А. І. Показники дизеля під час роботи на біодизельних паливах рослинного та тваринного походження / Вісник Кремен. держ. політ. університету ім. М. Остроградського. Наукові праці КДПУ ім. М. Остроградського. – Кременчук: КДПУ ім. М. Остроградського, 2009. – Вип. 2/2009(55) Частина 1. – с. 78 – 81.

4. Семенов В. Г., Черненко С. М., Атамась А. І. Визначення нижчої теплоти згоряння біодизельного палива за хроматографічними даними / Вісник Кремен. держ. університету ім. М. Остроградського. Наукові праці КДУ ім. М. Остроградського. – Кременчук: КДУ ім. М. Остроградського, 2010. – Вип. 2/2010 (61) Частина 1. – с. 87  – 91.