CC BY
196
УДК 621.436
B. А. Марков, А. В. С т р е м я к о в,
C. Н. Девянин
РАБОТА ТРАНСПОРТНОГО ДИЗЕЛЯ НА СМЕСЯХ ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА И РАПСОВОГО МАСЛА
Показаны преимущества использования в дизелях биотоплив, производимых на основе растительных масел. Приведены результаты экспериментальных исследований дизеля типа Д-245 малотоннажного автомобиля ЗиЛ 5301 "Бычок", работающего на смесях дизельного топлива и рапсового масла различного состава. Подтверждена возможность значительного улучшения показателей токсичности отработавших газов исследуемого дизеля при его работе на смесевых биотопливах.
E-mail: [email protected]
Ключевые слова: дизельный двигатель, дизельное топливо, рапсовое масло, токсичность отработавших газов.
В последнее время большой интерес вызывает использование в дизельных двигателях биотоплива, производимого из растительных масел [1-3], что можно объяснить возобновляемостью сырьевых ресурсов для производства этого топлива, хорошими экологическими качествами растительных масел и возможностью заметного снижения парникового эффекта при работе дизеля на таком биотопливе. Использование биотоплива позволяет обеспечить замещение нефтяного дизельного топлива (ДТ) альтернативным возобновляемым источником энергии, а также сохранение рабочих мест в сельскохозяйственных регионах.
Важным фактором использования в качестве топлива для дизелей растительных масел является их хорошие экологические качества. Растительные масла отличаются высокой биоразлагаемостью: попадая в почву и природные водные бассейны они практически полностью разлагаются в течение нескольких недель. Растительные масла имеют хорошие экологические свойства, обусловленные малым содержанием в них серы и полициклических ароматических углеводородов. Наличие в молекулах растительных масел достаточно большого числа атомов кислорода (8... 12%), участвующих в процессе окисления углеводородов топлива, позволяет снизить выбросы в атмосферу продуктов неполного сгорания топлива.
Применение биотоплива не нарушает баланса между кислородом и углекислым газом в атмосфере, поскольку при сгорании топлива растительного происхождения выделяется столько же углекислого газа, сколько растение поглотило из атмосферы за период своего существования. Важность этой проблемы подтверждается данными рис. 1, свидетельствующими о том, что в настоящее время в атмосферу ежегодно
1980 1990 2000 2010 Годы
Рис. 1. Увеличение выбросов в атмосферу диоксида углерода EСО2, связанных с деятельностью человека в различных регионах мира:
1 — США; 2 - Канада; 3 — Западная Европа; 4 — Япония и страны Тихоокеанского региона; 5 — Латинская Америка; 6 — страны бывшего СССР; 7 — Восточная Европа; 8 — Китай; 9 — Индия; 10 — остальная Азия; 11 — Африка
выбрасывается более 25 млрд т CO2, а к 2020 г. ежегодные выбросы СО2 в атмосферу достигнут 35 млрдт [1].
Для производства биотоплива используются различные масла: рапсовое (РМ), соевое (СМ), подсолнечное (ПМ), пальмовое, кукурузное, арахисовое, льняное [1], но наибольшее практическое применение нашло рапсовое масло. На рис. 2 приведено распределение сырьевых ресурсов (растительных масел) для производства биодизельного топлива в Европе.
При использовании РМ в качестве моторного топлива возможны два пути — централизованное и децентрализованное производство топлива. Централизованное производство предусматривает получение из РМ метилового эфира (МЭРМ) и снабжение им автотранспорта с помощью сети автозаправочных станций. В ряде стран Евросоюза в настоящее время на заправочных станциях отпускается биодизельное топливо, представляющее собой смесь 95 % ДТ и 5 % МЭРМ. На состоявшейся в ноябре 2005 г. в Магдебурге международной конференции представитель концерна Daimler Chrysler сообщил, что все автомобили, выпускаемые концерном, подготовлены к работе на топ-ливах, содержащих 10% биотоплива [4]. Проведен ряд исследований
Рис.2. Распределение растительных масел для производства биотоплива в Европе
по адаптации дизелей различного назначения для такого биотоплива [5-8].
Следует отметить, что МЭРМ является химически активной жидкостью, поэтому при его использовании в качестве самостоятельного топлива или как добавки к ДТ топливные баки, топливопроводы и другие элементы конструкции, контактирующие с эфиром, должны иметь стойкое покрытие [1]. Другими недостатками МЭРМ являются недостаточная экологичность производства этого вида топлива (необходимость использования при производстве МЭРМ токсичного метилового спирта — метанола) и высокая цена по сравнению с ценой исходного растительного масла.
При децентрализованном производстве, как правило, используется простое фильтрованное РМ (либо в чистом виде, либо в смеси с ДТ). Преимущества децентрализованного производства РМ: экологичность и биоразлагаемость РМ, небольшие энергозатраты при его производстве, небольшие инвестиционные затраты, сокращение транспортных расходов. При этом обычно РМ применяется в качестве топлива непосредственно на месте его производства — в фермерских хозяйствах, на агропромышленных предприятиях и др.
При комплексном использовании рапса (т.е. при получении РМ и одновременном использовании в сельском хозяйстве растительной массы и жмыха, остающегося после отжима масла и являющегося ценным белковым продуктом для животноводства) затраты на производство РМ и ДТ оказываются примерно равными при урожайности рапса 7... 9 ц семян рапса с гектара [1]. В условиях европейской части России урожайность семян ярового рапса обычно составляет 20... 30 ц/га, а его потенциальная урожайность равна 30... 40 ц/га, а в некоторых случаях и выше. Поэтому стоимость биотоплива на основе РМ соизмерима или несколько ниже стоимости ДТ. По данным за 2007 г. себестоимость одного литра РМ была равна 10... 12 руб., цена одного литра МЭРМ составила около 20руб., а одного литра ДТ превысила 20 руб. [9]. В ближайшей перспективе при широкомасштабном производстве РМ его цена будет значительно ниже стоимости ДТ.
Указанные факторы и предопределяют интерес, проявляемый к использованию чистого РМ в качестве топлива для дизелей [9-12]. Однако использование растительных масел в чистом виде в качестве топлива для дизелей сдерживается повышенным нагарообразованием — отложением кокса на распылителях форсунок и других деталях, образующих камеру сгорания. Увеличению нагарообразования способствует наличие в растительных маслах смолистых веществ, т.е. их повышенная коксуемость. Если дизельное топливо по ГОСТ 305-82 имеет коксуемость 10%-ного остатка, не превышающую 0,3%, то коксуемость большинства растительных масел обычно составляет 0,4... 0,5 % (табл. 1). Для снижения коксуемости растительных масел необходимы их
очистка от смолистых веществ, а также использование смесей ДТ и РМ.
Таблица 1
Физико-химические свойства различных топлив
Физико-химиче с-кие свойства Топлива
ДТ РМ 80 % ДТ + +20% РМ 60 % ДТ + +40% РМ 40% ДТ + +60 % РМ
Плотность при 20 °С, кг/м3 830 916 848 865 882
Кинематическая вязкость при 20 °С, мм2/с 3,8 75 9 19 30
Коэффициент поверхностного натяжения а при 20 °С, мН/м 27,1 33,2 Нет данных Нет данных Нет данных
Теплота сгорания низшая, кДж/кг 42500 37300 41500 40400 39400
Цетановое число 45 36 41500 40400 39040
Температура самовоспламенения, °С 250 318 41500 40400 39040
Температура помутнения, °С -25 -9 41500 40400 39040
Температура застывания, °С -35 -20 41500 40400 39040
Количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг вещества, кг 14,3 12,5 14,0 13,6 13,2
Содержание, % (масс.)
С Н О 87,0 12,6 0,4 77,0 12,0 11,0 85,0 12,5 2,5 83,0 12,4 4,6 81,0 12,2 6,8
Общее содержание серы, % (масс.) 0,2 0,002 0,16 0,12 0,08
Коксуемость 10 %-ного остатка, % (масс.) 0,2 0,4 0,16 0,12 0,08
Еще одной проблемой, возникающей при работе дизеля на РМ, является его повышенная вязкость. Исследуя вязкостно-температурные характеристики (рис. 3), можно отметить, что при нормальной температуре £ = 20 °С вязкость РМ на порядок выше, чем у стандартного ДТ (ут = 75 мм2/с у РМ и ит = 3,8 мм2/с у ДТ, см. табл.1). Но при повышении температуры вязкость РМ быстро снижается: при
t = 400С, характерной для топ-ливоподающих систем дизелей, вязкость РМ уменьшается вдвое (до vT = 36 мм2/с), а при t = 700С — до vx = 17,5 мм2 /с.
Существенно меньшую вязкость имеют смеси РМ и ДТ. Вязкость смеси, содержащей 80% ДТ (по объему) и 20% РМ при t = 200С составляет ит = 9 мм2/с, а при температуре t = 40 0 С, характерной для условий систем топ-ливоподачи дизелей, снижается до ит = 5 мм2/с, что соизмеримо с вязкостью чистого ДТ (в соответствии с ГОСТ 305-82 вязкость летнего ДТ составляет = 3 ... 6 мм2/с).
Поскольку РМ по своим физико-химическим свойствам отличается от стандартных ДТ, то целесообразно применять смесевое биотопливо, представляющее собой смесь ДТ и РМ. Эти компоненты хорошо смешиваются, а смеси имеют приемлемые физико-химические свойства, позволяющие сжигать их в дизеле без внесения изменений в его конструкцию (см. табл. 1).
В МГТУ им. Н.Э. Баумана проведены исследования возможности работы дизеля Д-245.12С (4 ЧН 11/12,5) на смесях РМ и ДТ. Указанный дизель выпускается Минским моторным заводом (ММЗ) для малотоннажных грузовых автомобилей ЗиЛ-5301 "Бычок", а его модификации — для автобусов Павловского автомобильного завода (ПАЗ) и тракторов "Беларусь" Минского тракторного завода (МТЗ). Некоторые параметры дизеля приведены в табл. 2.
Дизель исследовали на моторном стенде АМО "ЗиЛ" на режимах внешней скоростной характеристики и 13-ступенчатого испытательного цикла Правил 49 ЕЭК ООН с установочным углом опережения впрыскивания в = 13o поворота коленчатого вала до верхней мертвой точки (ВМТ) и неизменным положением упора дозирующей рейки топливного насоса высокого давления (ТНВД). Моторный стенд был оборудован комплектом необходимой измерительной аппаратуры. Дымность ОГ измерялась с помощью ручного дымомера MK-3 фирмы Hartridgе (Великобритания) с погрешностью измерения ±1 %. Концентрации оксидов азота NOx, монооксида углерода CO, несгоревших углеводородов CHx в ОГ определялись газоанализатором SAE-7532 японской фирмы Yanaco с погрешностями измерения указанных компонентов 1 %.
Рис. 3. Вязкостно-температурные характеристики РМ (1), смесей ДТ и РМ в соотношениях 50 на 50% (2) и 80 на 20 % (3), зимнего ДТ (4)
Таблица 2
Некоторые параметры дизеля Д-245.12С (4 ЧН 11/12,5)
Параметры Значение
Тип двигателя Четырехтактный, рядный, дизельный
Число цилиндров 4
Диаметр цилиндра В, мм 110
Ход поршня Б, мм 125
Рабочий объем цилиндра Уи, л 1,08
Общий рабочий объем гУи, л 4,32
Степень сжатия е 16,0
Система турбонаддува Турбокомпрессор ТКР-6 Борисовского завода автоагрегатов
Тип камеры сгорания, способ смесеобразования Камера сгорания типа ЦНИДИ, объемно-пленочное смесеобразование
Номинальная частота вращения п, мин-1 2400
Номинальная мощность Ме, кВт 80
Литровая мощность Мел, кВт/л 18,5
Механизм газораспределения Клапанного типа с верхним расположением клапанов
Система охлаждения Водяная, принудительная
Система смазки Принудительная, с разбрызгиванием
Масляный фильтр Сетчатый
Масляный насос Шестеренчатый
Система питания Разделенного типа
ТНВД Рядный типа PP4M10U1f фирмы Motorpal с всережимным центробежным регулятором
Диаметр плунжеров ТНВД мм 10
Ход плунжеров ТНВД й.ш, мм 10
Длина нагнетательных топливопроводов Ьт, мм 540
Форсунки Типа ФДМ-22 производства ОАО "Куроаппаратура" (г. Вильнюс)
Распылители форсунок Фирмы Motorpal типа DOP 119S534 с пятью сопловыми отверстиями диаметром йр = 0,34 мм и проходным сечением ^р/р = 0,250 мм2
Давление начала впрыскивания форсунок рфо, МПа 21,5
Рис. 4. Зависимости эффективной мощности Ме, крутящего момента Ме, расхода топлива Ст, коэффициента избытка воздуха а, дымности ОГ Кх и удельного эффективного расхода топлива ge от частоты вращения п коленчатого вала дизеля Д-245.12С на режимах внешней скоростной характеристики при использовании дизельного топлива (7) и смесевого биотоплива (2)
На первом этапе дизель исследовался при его работе на ДТ и сме-севом биотопливе, содержащем (по объему) 80 % ДТ и 20 % РМ. Испытания дизеля Д-245.12С на режимах внешней скоростной характеристики показали заметное увеличение часового расхода топлива Ст при использовании смеси ДТ и РМ. При работе на таком смесевом биотопливе в исследуемом диапазоне частот вращения расход топлива Ст увеличился в среднем на 1,5... 2,0 кг/ч по сравнению с работой на ДТ (рис. 4). В результате эффективный крутящий момент двигателя Ме возрос на 40... 50Н-м на режимах с низкой частотой вращения (п = 1000 ... 1300 мин-1) и на 10... 20Н-м на режимах с высокой частотой вращения (п = 2000 ... 2400 мин-1). Соответственно увеличилась и эффективная мощность двигателя N.
Несмотря на значительное увеличение часового расхода топлива йт при работе на смесевом биотопливе коэффициент избытка воздуха а снизился незначительно, особенно на режимах со средними и высокими частотами вращения. Это объясняется меньшим количеством воздуха, необходимого для сгорания 1 кг биотоплива (см. табл. 1). При переходе на биотопливо на режиме максимального крутящего момента
при п = 1500 мин-1 удельный эффективный расход топлива де увеличился с 225,8 до 231,8 г/(кВт-ч), а на режиме максимальной мощности при п = 2400 мин-1 - с 249,0 до 255,1 г/(кВт-ч) по сравнению с работой на ДТ. Такое увеличение расхода биотоплива объясняется его меньшей теплотворной способностью Ни (соответственно 42,5 и 41,5 МДж/кг у ДТ и его смеси с РМ, см. табл. 1). Однако при использовании этих двух видов топлива эффективный КПД двигателя оказался практически одинаков: пе = 37,5 % — на режиме максимального крутящего момента при п = 1500 мин-1 и Пе = 34,0 % — на режиме максимальной мощности при п = 2400 мин-1. При переводе дизеля с ДТ на смесь 80 % ДТ и 20 % РМ на режиме максимального крутящего момента при п = 1500 мин-1 дымность ОГ Кх сократилась с 25 до 16 % по шкале Хартриджа, а на режиме максимальной мощности при п = 2400 мин-1 — с 11 до 8 % (см. рис. 4).
Результаты экспериментальных исследований дизеля Д-245.12С на режимах 13-ступенчатого испытательного цикла представлены на рис. 5-7. При переводе дизеля с ДТ на смесь 80 % ДТ и 20 % РМ, наиболее значительное увеличение часового расхода топлива отмечено на режимах с полной нагрузкой (см. рис. 5). На режиме максимальной мощности при п = 2400 мин-1 расход топлива увеличился с 18,81 до 19,94 кг/ч, а на режиме максимального крутящего момента при п = 1500 мин-1 — с 12,10 до 13,24 кг/ч. На режимах с неполной нагрузкой рост при переходе на биотопливо оказался менее значительным, а на режиме холостого хода при п = 850 мин-1 расходы оказались равны 0,72 и 0,89 кг/ч соответственно при работе на ДТ и смесевом топливе.
Тип топлива оказывает влияние и на концентрацию в ОГ оксидов азота С^х (см. рис. 6, а). На режиме холостого хода при п = 850 мин-1 переход с ДТ на смесь 80 % ДТ и 20 % РМ привел к снижению С^0х с 0,0200 до 0,0180%. На режимах со средними нагрузками отмечен заметный рост С^х. Так, на режиме с п = 1500 мин-1 и Ме = 260... 275 Н-м концентрация Скох возросла с 0,0850 до
GT, кг/ч
0 100 200 300 Ме, Н-м
Рис. 5. Зависимость часового расхода топлива От от частоты вращения п и эффективного крутящего момента Ме дизеля Д-245.12С при использовании дизельного топлива (1) и смесевого биотоплива (2)
Рис. 6. Зависимости объемной концентрации в ОГ оксидов азота (а),
монооксида углерода Ссю (б) и несгоревших углеводородов Ссщ (в) от частоты вращения п и эффективного крутящего момента Ме дизеля Д-245.12С при использовании дизельного топлива (7) и смесевого биотоплива (2)
0,0955 %. На режимах с малыми нагрузками (Ме = 30 ... 150 Н-м) и с полной нагрузкой переход с ДТ на смесевое биотопливо не сопровождался значительным изменением Скох.
От типа применяемого топлива зависит и содержание в ОГ монооксида углерода ССО (см. рис. 6, б). При переводе дизеля с ДТ на смесь 80 % ДТ и 20 % РМ наибольшее увеличение концентрации ССО отмечено на режиме холостого хода при п = 850 мин-1 и на режиме с минимальной нагрузкой (Ме = 38... 39 Н-м) при п = 1500 мин-1. На этих режимах концентрация ССО возросла примерно в 1,6 раза. На первом из указанных режимов перевод дизеля с ДТ на смесь 80 % ДТ и 20 % РМ сопровождался увеличением ССО с 0,0365 до 0,0600 %. На режимах же с высокими нагрузками (Ме > 280 Н-м) при п = 1500 мин-1
и с низкими нагрузками (Ме < 70 Н-м) при п = 2400 мин-1 более высокие концентрации ССО имели место при работе на ДТ.
Тип топлива оказывает наибольшее влияние на концентрацию в ОГ несгоревших углеводородов ССНх (см. рис. 6, б). Особенно заметно это влияние на режиме холостого хода при п = 850 мин-1 и на всех нагрузочных режимах при п = 2400 мин-1. На указанных режимах перевод дизеля с ДТ на смесь 80% ДТ и 20% РМ сопровождался снижением ССНх в 1,5-2,0 раза (на первом из указанных режимов ССНх снизилась с 0,0520 до 0,0310%).
По приведенным на рис. 6 характеристикам содержания в ОГ нормируемых токсичных компонентов (N0^, СО, СНх) с использованием общепринятых методик рассчитаны их интегральные удельные массовые выбросы на режимах 13-ступенчатого цикла (соответственно , еСО, еСНх). С использованием приведенных на рис.5 характеристик часового расхода топлива Ст определены значения удельного эффективного расхода топлива и эффективного КПД по известным зависимостям
_ 1000Ст _ 3600
де = ; Пе = нще'
где Нц — низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг.
Оценка эксплуатационного расхода топлива на режимах 13-ступенчатого цикла проведена по среднему (условному) удельному эффективному расходу топлива, который определялся с использованием зависимости [1]
13
У^ Кг
= _г=1_
деусл 13 ,
^ N елКг
г=1
где От,ь — часовой расход топлива на г-м режиме. Поскольку смесевое биотопливо имеет меньшую теплотворную способность, топливную экономичность дизеля при его работе на этих топливах целесообразно оценивать не удельным эффективным расходом топлива де, а эффективным КПД дизеля Пе, причем для интегральной оценки работы дизеля на режимах 13-ступенчатого цикла определяли условный эффективный КПД из соотношения
3600
Ve усл — t-j-
Hu ge
е усл
Результаты этих расчетов использованы при составлении табл. 3. Приведенные в табл. 3 данные подтверждают возможность заметного улучшения экологических показателей дизеля Д-245.12С при его
Таблица 3
Показатели дизеля Д-245.12С, работающего на смесевых биотопливах
Показатели дизеля Объемная концентрация рапсового масла в смесевом биотопливе, %
0 20 40 60
Часовой расход топлива на режиме максимальных, кг/ч:
мощности, От2400 18,81 19,94 20,3 20,7
крутящего момента, От1500 12,1 13,24 13,71 13,73
Крутящий момент на режиме максимальных, Н-м:
мощности Ме2400 301 311 313 311
крутящего момента Ме1500 341 364 364 360
Дымность ОГ на режиме максимальных, %:
мощности, Кх2400 11 8 7 8
крутящего момента, Кх1500 25 16,5 13 11
Удельный эффективный расход топлива на режиме максимальных, г/(кВт-ч):
мощности де2400 249 255,1 258,1 265,1
крутящего момента, де15оо 225,8 231,8 239,8 243,1
Эффективный КПД дизеля на режиме максимальных:
мощности, Г)е2400 0,34 0,34 0,345 0,345
крутящего момента, 1500 0,375 0,374 0,372 0,376
Условный удельный эффективный расход топлива на режимах 13-ступенчатого цикла де усл, г/(кВт-ч) 247,2 254,38 259,4 272,23
Условный эффективный КПД на режимах 13-ступенчатого цикла усл 0,343 0,341 0,343 0,336
Интегральный удельный выброс, г/(кВт-ч):
оксидов азота, вк0х 7,442 7,159 7,031 6,597
монооксида углерода, еСО 3,482 3,814 3,880 3,772
углеводородов, всых 1,519 0,965 0,949 1,075
переводе с ДТ на смесь 80 % ДТ и 20 % РМ. При работе дизеля на сме-севом биотопливе на режимах 13-ступенчатого цикла удельный массовый выброс углеводородов есНх снизился с 1,519 до 0,965 г/(кВт-ч), т.е. на 36,5%, выброс оксидов азота вк0х — с 7,442 до 7,159 г/(кВт-ч), т.е. на 3,8%, а выброс монооксида углерода еС0, напротив, вырос с 3,482
до 3,814 г/(кВт-ч), т.е. на 9,5% по сравнению с работой на стандартном ДТ. Рост эмиссии СО при работе на смесевом биотопливе отчасти связан с некоторым увеличением часового расхода этого топлива (на 6. . . 10 %) и с соответствующим увеличением мощности дизеля. В частности, при переводе дизеля с ДТ на смесь 80 % ДТ и 20 % РМ на режиме максимального крутящего момента при п = 1500 мин-1 эффективная мощность N увеличилась с 53,6 до 57,1 кВт, а на режиме максимальной мощности при п = 2400 мин-1 — с 75,5 до 78,2 кВт. Коэффициент избытка воздуха а остался при этом практически неизменным (соответственно 1,7 и 2,2 на указанных режимах), что объясняется меньшим количеством воздуха, необходимого для сгорания 1 кг топлива (соответственно 14,3 и 13,9 кг/кг у ДТ и смеси 80% ДТ и 20 % РМ, см. табл. 1).
Приведенные результаты исследований дизеля Д-245.12С получены при его работе на смесевом биотопливе, содержащем 80 % ДТ и 20 % РМ. Но определенный интерес представляет вопрос о влиянии состава смесевого биотоплива на характеристики дизеля. Оценка этого влияния позволяет провести оптимизацию состава смесевого биотоплива в целях достижения наиболее благоприятных показателей топливной экономичности и токсичности ОГ дизеля. Для этого проведены исследования дизеля Д-245.12С на чистом ДТ и смесевом биотопливе, содержащем от 20 до 60% (об.) РМ. Физико-химические свойства этих смесей приведены в табл. 1, а результаты испытаний дизеля на этих топливах — на рис. 7 и в табл. 3.
Характеристики дизеля Д-245.12С, работающего на смесевых био-топливах, представленные на рис. 7, а, свидетельствуют о том, что увеличение содержания РМ в смесевом биотопливе СРМ от 0 до 20% приводит к заметному росту часового расхода топлива Ст и эффективного крутящего момента Ме. При дальнейшем повышении СРМ от 20 до 60% значения От и Ме изменяются незначительно. Коэффициент избытка воздуха а слабо зависит от концентрации СРм во всем диапазоне ее изменения (0... 60%).
Характеристики удельного эффективного расхода топлива де, эффективного КПД дизеля пе и дымности ОГ Кх приведены на рис. 7, б и в табл.3. На режиме максимальной мощности при п = 2400мин-1 увеличение концентрации РМ в смесевом биотопливе СРМ с 0 до 60% приводит к росту удельного эффективного расхода топлива де с 249,0 до 265,1 г/(кВт-ч) и снижению дымности ОГ Кх с 11,0 до 8,0 %. Аналогичное увеличение СРМ на режиме максимального крутящего момента при п = 1500 мин-1 сопровождалось ростом де с 225,8 до 243,1 г/(кВт-•ч) и уменьшением Кх с 25,0 до 11,0%. Приведенные данные свидетельствуют о том, что использование смесевого биотоплива позволило заметно уменьшить дымность ОГ. Указанное же увеличение удельного
Рис. 7. Зависимости часового расхода топлива эффективного крутящего момента Ме и коэффициента избытка воздуха а (а), а также удельного эффективного расхода топлива gе, эффективного КПД двигателя пе и дымности ОГ Кх (б) от содержания рапсового масла СРМ в смесевом биотопливе на режимах внешней скоростной характеристики:
1 — на режиме максимальной мощности при п = 2400 мин-1; 2 — на режиме максимального крутящего момента при п = 1500 мин-1
расхода смесевого биотоплива де объясняется его меньшей теплотворной способностью (см. табл. 1). При этом с ростом СРМ эффективность процесса сгорания практически не изменялась. Так, изменения эффективного КПД дизеля при работе на топливах с различным содержанием РМ не превышали 2 % (см. табл. 3), что сопоставимо с точностью определения удельного эффективного расхода топлива де.
Значения удельных массовых выбросов токсичных компонентов , ес0, есНх, представленные в табл.3, подтвердили возможность заметного улучшения экологических показателей дизеля при использовании смесевых биотоплив. Их применение позволяет снизить выбросы наиболее значимых токсичных компонентов ОГ дизелей — оксидов азота , а также углеводородов СНХ. Увеличение содержания РМ в смесевом биотопливе СРМ с 0 до 60% приводит к снижению удельных интегральных на режимах 13-ступенчатого цикла выбросов оксидов азота ек0ж с 7,442 до 6,597 г/(кВт-ч), т.е. на 11,4 %, и выбросов углеводородов еСНх с 1,519 до 1,075 г/(кВт-ч), т.е. на 29,2%. Причем минимум выбросов углеводородов (еСНх = 0,949 г/(кВт-ч)) отмечен при СРМ = 40 %.
В то же время увеличение СРМ с 0 до 60% приводит к росту удельных интегральных на режимах 13-ступенчатого цикла выбросов монооксида углерода еСО с 3,482 до 3,772 г/(кВт-ч), т.е. на 8,3 %. Причем максимум выбросов монооксида углерода (еСО — 3,880 г/(кВт-ч)) отмечен при СРМ — 40 %. Для снижения выброса монооксида углерода при работе дизеля на смесевых биотопливах необходимо дальнейшее совершенствование процессов распыливания топлива и смесеобразования. В целом, проведенный комплекс экспериментальных исследований дизеля Д-245.12С показал возможность оптимизации состава смесевого биотоплива с учетом минимизации расхода топлива, выбросов токсичных компонентов ОГ и преимущественных режимов работы транспортного дизеля.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Девянин С. Н.,Марков В. А., Семенов В. Г. Растительные масла и топлива на их основе для дизельных двигателей. - М.: ИЦ ФГОУ ВПО "МГАУ им. В.П. Горячкина", 2008. - 340 с.
2. Работа дизелей на нетрадиционных топливах: Учеб. пособие / В.А. Марков, А.И. Гайворонский, Л.В. Грехов и др. - М.: Изд-во "Легион-Автодата", 2008. -464 с.
3. Льотко В., Луканин В. Н., Х а ч и я н А. С. Применение альтернативных топлив в двигателях внутреннего сгорания. - М.: Изд-во МАДИ (ТУ), 2000. -311 с.
4. Zehn Prozent Biokraftstoff für Alle // Verein Deutscher Ingenieure. VDI-Nachrichten. - 2005. - Jg. 59. - No. 47. -8 s.
5. B r a u n F. Biodiesel: Ein Nutzer Erzahlt // KFZ Anzeiger. - 1996. - Jg. 49. - No. 2. -S. 12-15.
6. R o e k e r G. G. Rapsol-Methyl-Ester eignet sich als Ernanzung zu Dieselkraftstoff // Maschinenmarkt. - 1995. - Jg. 101. - No. 1/2. - S. 22-24.
7. Смайлис В., Сенчила В., Берейшене К. Моторные испытания РМЭ на высокооборотном дизеле воздушного охлаждения // Двигателестроение. - 2005. - № 4. - С. 45-49.
8. М а р к о в В. А., Шустер А. Ю., Девянин С. Н. Работа дизелей на смесях дизельного топлива и метилового эфира рапсового масла // Транспорт на альтернативном топливе. - 2009. - № 4. - С. 33-37.
9. Гражданкин Б. Рапс полностью обеспечит сельское хозяйство России дизельным топливом // Аграрный эксперт. - 2007. - № 8. - С. 20-25.
10. Ш и р о к о м а с ш т а б н ы е эксперименты по введению рапсового масла в дизельное топливо // Автомобильная промышленность США. - 1997. - № 3. -С. 5-9.
11. N e u e Pflanzenolmotoren von DMS // MTZ. - 1993. - Jg. 54. - No. 7/8. - S. 365.
12. С а в е л ь е в Г. С., К о ч е т к о в М. Н. Использование рапсового масла в качестве топлива в дизельных двигателях // Транспорт на альтернативном топливе. -2009. -№ 1. -С. 62-66.
Статья поступила в редакцию 1.10.209
Владимир Анатольевич Марков родился в 1958г., окончил в 1981 г. МВТУ им. Н.Э. Баумана. Д-р техн. наук, профессор кафедры "Теплофизика" МГТУ им. Н.Э. Баумана. Автор более 250 научных работ в области автоматического управления и регулирования двигателей внутреннего сгорания.
V.A. Markov (b. 1958) graduated from the Bauman Moscow Higher Technical School in 1981. D. Sc. (Eng.), professor of "Thermal Physics" department of the Bauman Moscow State Technical University. Author of more than 250 publications in the field of automatic control and adjustment of internal combustion engines.
Андрей Васильевич Стремяков родился в 1985 г., окончил в 2008 г. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Аспирант кафедры "Теплофизика" МГТУ им. Н.Э. Баумана. Автор двух научных работ в области адаптации дизелей к работе на альтернативных топ-ливах.
A.V. Stremyakov (b. 1985) graduated from the Bauman Moscow State Technical University in 2008. Post-graduate of "Thermal Physics" department of the Bauman Moscow State Technical University. Author of 2 publications in the field of adaptation of engines to operation on alternative fuels.
Сергей Николаевич Девянин родился в 1954 г., окончил в 1976 г. Московский автомобильно-дорожный институт (МАДИ). Д-р техн. наук, зав. кафедрой "Тракторы и автомобили" Московского государственного агроинженерного университета (МГАУ) им. В.П. Горячкина. Автор более 100 научных работ в области топливоподачи дизелей.
S.N. Devyanin (b. 1954) graduated from the Moscow Automobile and Road Institute in 1976. D. Sc. (Eng.), head of "Tractors and Automobiles" department of the Moscow State Rural Engineering University n.a. V.P. Goryachkin. Author of more than 100 publications in the field of fuel supply of diesels.
