Работа транспортного дизеля на смесях дизельного топлива и подсолнечного масла

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 621. 436
В. А. Марков, д-р техн. наук, С. Н. Девянин, д-р техн. наук, А. Ю. Шустер, аспирант
РАБОТА ТРАНСПОРТНОГО ДИЗЕЛЯ НА СМЕСЯХ ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА И ПОДСОЛНЕЧНОГО МАСЛА
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана
(e-mail: markov@power. bmstu. ru)
Проведены экспериментальные исследования дизеля Д-245. 12С на смесях дизельного топлива и подсолнечного масла различного состава. Показана возможность улучшения показателей токсичности отработавших газов при использовании этих смесей в качестве топлива для автомобильных дизелей.
Ключевые слова: дизель, дизельное топливо, подсолнечное масло, смесевое топливо.
Experimental work on D-245. 12C diesel engine fueled with mixture of sunflower oil and diesel fuel of different percentage has been carried out. Possibility of exhaust toxicity characteristics improvement by using these mixtures as a fuel for automobile diesel engines is demonstrated.
Keywords: diesel, diesel fuel, sunflower oil, fuel with mixtures.
В качестве сырьевой базы для получения моторных топлив привлекательным представляется использование возобновляемые сырьевых ресурсов — биомассы, древесины, сельскохозяйственных отходов и др. При использовании топлив растительного происхождения появляется возможность решения проблемы снижения выбросов в атмосферу углекислого газа, относящегося к группе «парниковых газов». К наиболее перспективным топливам, получаемым из возобновляемых сырьевых ресурсов, относятся растительные масла — подсолнечное, рапсовое, соевое и другие [1−3].
Одним из важных аспектов применения растительных масел в качестве топлив для дизелей является возможность утилизации низкокачественных технических масел, полученных путем экстрагирования маслосемян или предварительно отжатого жмыха бензином, гексаном или другими экстрагентами, а также загрязненных и просроченных растительных масел. Сырьем для производства моторных топлив могут служить фритюрные масла, являющиеся отходами пищевой промышленности и объектов общественного питания [4,5]. В Японии ежегодные отходы фритюрных растительных масел составляют 400−600 тыс. тонн [6]. В Англии ежегодно образуется около 70 тыс. тонн отслужившего в кухнях масла, которое может быть переработано в биодизельное топливо.
В условиях Российской Федерации привлекательным представляется использование в качестве топлива для ДВС подсолнечного масла (ПМ). Это обусловлено тем, что в России это масло традиционно является наиболее распространенным растительным маслом: объем его производства составляет около 70% от общего объема производства растительных масел. Подсолнечное масло может быть использовано в качестве топлива для дизелей в «чистом» виде или смеси с дизельным топливом (ДТ). Из П М получают метиловый эфир, который применяется как самостоятельное топливо или как биодобавка к ДТ. Возможны и другие пути использования этого биотоплива. Но наиболее простым способом применения этого масла представляется работа дизеля на смесях ДТ и ПМ. Эти два компонента хорошо смешиваются в любых пропорциях, образуя стабильные смеси. Подбором состава этих смесей можно обеспе-
чить их физико-химические свойства, близкие к свойствам стандартного ДТ.
По своей химической структуре ПМ представляет собой смесь глицеридов жирных кислот. Жирнокислотный состав ПМ включает как ненасыщенные жирные кислоты (линоле-вая, олеиновая, линоленовая кислоты), так и насыщенные кислоты (пальмитиновая, стеариновая, арахиновая, миристиновая кислоты). Особенностью П М является наличие в его составе достаточно большого количества кислорода (около 9%). Это приводит к некоторому снижению его теплоты сгорания. Так, низшая теплота сгорания ПМ составляет 36−37 мДж/кг против 42−43 мДж/кг у ДТ, практически не содержащего кислорода. Но присутствие в ПМ кислорода значительно улучшает экологические свойства этих топлив. ПМ практически не содержит серу (в ДТ содержание серы достигает 0,2% по массе). Это позволяет значительно снизить выбросы в атмосферу оксиды серы, образующиеся в камере сгорания (КС) дизеля.
ПМ отличается повышенной коксуемостью (до 0,2% у ДТ и до 0,5% у ПМ). Это может привести к отложениям кокса на деталях КС и распылителях форсунок. Однако при использовании смесей ДТ с небольшим содержанием ПМ, как правило, удается обеспечить требуемую коксуемость топлива (до 0,2% как у ДТ). Некоторые физико-химические свойства ДТ и ПМ, а также их смесей в различных пропорциях представлены в табл. 1.
Для оценки возможности использования смесей ДТ и ПМ в качестве моторного топлива проведены экспериментальные исследования дизеля Д-245. 12С (4ЧН 11/12,5) малотоннажных грузовых автомобилей ЗиЛ-5301 «Бычок». В этом дизеле с полуразделенной КС типа ЦНИДИ, организовано объемно-пленочное
смесеобразование. Исследования проводились на моторном стенде АМО «ЗиЛ». Полученные при экспериментальных исследованиях показатели дизеля Д-245. 12С представлены на рис. 1−3 и в табл. 2.
Приведенные на рис. 1 данные о часовом расходе топлива Gт, крутящем моменте Ме и коэффициенте избытка воздуха, а свидетельствуют о том, что изменение содержания ПМ в смесевом топливе СПМ от 0 до 20% не оказывает заметного влияния на эти показатели работы дизеля.
Таблица 1
Физико-химические свойства исследуемых топлив
Физико-химические свойства Топлива
ДТ ПМ 95% ДТ + 5% ПМ 90% ДТ + 10% ПМ 80% ДТ + 20% ПМ
Плотность при 20 оС, кг/м3 830 923 834,7 839,3 848,6
Вязкость кинематическая, мм2/с при: 20 оС 3,8 72,0 5,0 6,0 8,0
40 оС 2,4 31,0 — - -
100 оС 1,0 8,0 — - -
Коэффициент поверхностного натяжения ст при 20 оС, мН/м 27,1 33,0 — - -
Теплота сгорания низшая, кДж/кг 42 500 37 300 41 500 40 400 39 400
Цетановое число 45 33 — - -
Температура самовоспламенения, оС 250 320 — - -
Температура помутнения, оС -25 -7 — - -
Температура застывания, оС -35 -18 — - -
Количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива, кг 14,31 13,01 14,24 14,18 14,05
Содержание, % по массе: С 87,0 78,3 86,56 86,13 85,26
Н 12,6 12,8 12,61 12,62 12,64
О 0,4 8,9 0,83 1,25 2,10
Общее содержание серы, % по массе 0,2 — - - -
Коксуемость 10%-ного остатка, % по массе 0,2 0,5 — - -
Примечание: «-» — свойства не определялись- для смеси ДТ и ПМ указано объемное процентное содержание компонентов.
От, кг/ч
Рис. 1. Зависимость часового расхода топлива От, эффективного крутящего момента Ме и коэффициента избытка воздуха, а от содержания подсолнечного масла СПМ 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 = 1600 мин-1
В указанном диапазоне изменение содержания ПМ в смесевом биотопливе СПМ отмечено увеличение удельного эффективного расхода топлива gе, составившее на режимах максимальной мощности и максимального крутящего момента Лgе = 8,5−9,4 г/(кВт-ч), см. рис. 2. Это вызвано меньшей теплотворной способностью исследуемых смесевых топлив по сравнению с ДТ. Однако при этом эффективный КПД дизеля пе изменяется незначительно: на режиме максимальной мощности при п = 2400 мин-1 он увеличился с 0,343 до 0,357, а на режиме максимального крутящего момента при п = 1600 мин-1 -с 0,381 до 0,395.
В рассматриваемом диапазоне изменение содержания ПМ в смесевом топливе СПМ отмечено значительное снижение дымности О Г Кх, составившее на режимах максимальной мощности и максимального крутящего момента ЛКх = 3,5−6,0% по шкале Хартриджа, см. рис. 2.
Значения удельных массовых выбросов токсичных компонентов еМОх, есо, ЄСНх, представленные на рис. 3 и в табл. 2, подтверждают зави-
симость экологических показателей исследуемого дизеля от состава смеси ДТ и ПМ. При увеличении содержания ПМ в смесевом топливе Спм с 0
0 5 10 15 Спм, %
Рис. 2. Зависимость удельного эффективного расхода топлива gе, эффективного КПД двигателя це и дымности О Г Кх от содержания подсолнечного масла СПМ в смесевом биотопливе на режимах внешней скоростной характеристики:
1 — на режиме максимальной мощности при п = 2400 мин& quot-1- 2 — на режиме максимального крутящего момента при п = 1600 мин-1
Показатели дизеля Д-245. 12С,
до 20% выброс наиболее значимых токсичных компонентов ОГ дизелей — оксидов азота еМОх снизился с 6,630 до 6,078 г/(кВт-ч), т. е. на 8,3%.
Рис. 3. Зависимость удельных массовых выбросов оксидов азота еМОх, монооксида углерода есО и углеводородов еснх от содержания подсолнечного масла СПМ в смесевом биотопливе на режимах 13-ступенчатого испытательного цикла
Таблица 2
на различных топливах
Показатели дизеля Объемная концентрация подсолнечного масла в смесевом топливе, %
0 5 10 20
Удельный эффективный расход топлива на режиме максимальной мощности, geЛ'-max, г/(кВт-ч) 246,8 248,1 251,3 256,2
Эффективный КПД дизеля на режиме максимальной мощности, «^тах е 0,343 0,350 0,355 0,357
Удельный эффективный расход топлива на режиме максимального крутящего момента, geMmax, г/(кВт-ч) 222,6 224,6 226,9 231,1
Эффективный КПД дизеля на режиме максимального крутящего момента, пеМтах 0,381 0,386 0,393 0,395
Дымность О Г на режиме максимальной мощности, КхМтах, % 14,5 12,5 12,0 11,0
Дымность О Г на режиме максимального крутящего момента, КхМтах, % 20,0 16,5 15,0 14,0
Интегральный удельный выброс оксидов азота, еЫОх, г/(кВт-ч) 6,630 6,626 6,649 6,078
Интегральный удельный выброс монооксида углерода, еСО, г/(кВт-ч) 2,210 2,146 2,091 2,257
Интегральный удельный выброс углеводородов, еСНх, г/(кВт-ч) 0,580 0,563 0,580 0,647
При увеличении СПМ выброс монооксида азота еСО остался практически неизменным — он возрос с 2,210 до 2,257 г/(кВт-ч), т. е. на 2,1%. Однако, его минимум еСО = 2,091 г/(кВт-ч) отмечен при СПМ = 10%. Но следует отметить, что указанные изменения еСО соизмеримы с точностью определения содержания этого токсичного компонента в ОГ. В исследуемом диапазоне изменения СПМ отмечен рост эмиссии только несгоревших углеводородов. Их выброс еСНх возрос с 0,580 до 0,647 г/(кВт-ч), т. е. на 11,5%. Такое увеличение еСНх вызвано увеличением длины струй распыливаемого смесевого топлива, обусловленным его большей плотностью, увеличением количества топлива, попадающего на стенки КС и, следовательно, доли пленочного смесеобразования. Снижение еСНх может быть достигнуто путем совершенствования проточной части распылителей форсунок, согласования длины струй топлива с формой КС дизеля.
Таким образом, использование ПМ в качестве топлива для дизелей позволяет не только обеспечить частичное замещение нефтяных мо-
торных топлив на топлива, получаемые из возобновляемых источников энергии, и утилизацию растительных масел, не пригодных к пищевому использованию, но и улучшить показатели токсичности ОГ дизеля.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Работа дизелей на нетрадиционных топливах: учеб. пособие / В. А. Марков, А. И. Гайворонский, Л. В. Грехов [и др.]. — М.: Легион-Автодата, 2008. — 464 с.
2. Льотко, В. Применение альтернативных топлив в двигателях внутреннего сгорания / В. Льотко, В. Н. Лука-нин, А. С. Хачиян. — М.: Изд-во МАДИ (ТУ), 2000. — 311 с.
3. Девянин, С. Н. Растительные масла и топлива на их основе для дизельных двигателей / С. Н. Девянин, В. А. Марков, В. Г. Семенов. — М.: Издательский центр ФГОУ ВПО МГАУ, 2008. — 340 с.
4. Neue Technik: Fette werden zu «Biodiesel» // Brennstoffspiegel. — 2002. — № 10. — S. 4.
5. Sendari A., Fragioudakis K., Kalligeros S. et al. Impact of Using Biodiesels of Different Origin and Additives on the Performance of a Stationary Diesel Engine // Transactions of the ASME. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. — 2000. — Vol. 122. — № 4. — P. 624−631.
6. Hamasaki K., Tajima H., Takasaki K. et al. Utilization of Waste Vegetable Oil Methyl Ester for Diesel Fuel // SAE Technical Paper Series. — 2001. — № 2001−01−2021. — P. 1−6.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой