Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и постановка задачи 11
1.1. Обзор моторных топлив на основе возобновляемого сырья 11
1.2. Топлива на основе растительных масел, как наиболее перспективные топлива для дизельных двигателей 18
1.3. Основные результаты исследований по использованию топлива на основе рапсового масла 21
2. Экспериментальная установка. Методика исследования 26
2.1. Описание экспериментальной установки 26
2.2. Методика эксперимента. Измерение и обработка экспериментальных данных 38
2.3. Оценка погрешности измерений и обработки опытных данных..46
3. Анализ влияния особенностей физико-химических свойств рапсового масла на процессы топливоподачи, смесеобразования и сгорания на основании данных оптического метода исследования и стендовых испытаний двигателя 53
3.1. Основные физико-химические показатели топлива 54
3.2. Исследование процесса впрыска топлива оптическим методом 69
3.3. Различия в протекании рабочего процесса двигателя с использованием дизтоплива и рапсового масла 78
4. Анализ путей оптимизации рабочего процесса дизеля на рапсовом масле 96
4.1. Влияние угла опережения впрыска топлива на рабочие показатели двигателя 98
4.2. Влияние температуры топлива на рабочие показатели двигателя 101
4.3. Влияние давления начала впрыска топлива 106
4.4. Влияние эффективного проходного сечения сопловых отверстий распылителя на показатели работы двигателя 109
4.5. Влияние конструкции распылителя на рабочие показатели двигателя 112
Заключение, рекомендации и выводы 121
Список использованных источников
- Топлива на основе растительных масел, как наиболее перспективные топлива для дизельных двигателей
- Методика эксперимента. Измерение и обработка экспериментальных данных
- Исследование процесса впрыска топлива оптическим методом
- Влияние температуры топлива на рабочие показатели двигателя
Введение к работе
На сегодняшний день двигатель внутреннего сгорания, далеко перешагнув за столетний юбилей, прошёл сложный эволюционный процесс от простейшей, на наш современный взгляд, установки до сложнейшего агрегата, впитавшего в себя множество научных достижений человеческого разума. И каким бы ни было соотношение «за» и «против» его дальнейшего существования, в данный момент ДВС является основным преобразователем энергии химических связей углеводородного топлива в механическую работу и, следовательно, основным потребителем нефтепродуктов.
На протяжении всего двадцатого столетия шло интенсивное развитие нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей отраслей промышленности. Открывались новые месторождения нефти и разрабатывались более совершенные технологии по ее переработке. Это стимулировалось ростом потребности в топливе нефтяного происхождения, главным образом на нужды транспорта, без которого уже сложно представить себе современное человечество. Автомобиль, в большинстве стран с развитой экономикой, давно перестал быть предметом роскоши, а стал лишь средством передвижения.
Темпы роста численности автотранспорта к концу двадцатого столетия приобрели лавинообразный характер, что, в совокупности с ограниченными запасами нефти в недрах земли, привело к проблеме энергетического кризиса, начавшегося в конце семидесятых - начале восьмидесятых годов двадцатого века.
В энергетическом балансе большинства развитых стран мира основным энергоносителем на сегодняшний день является ископаемое топливо. Известно, что около 90 % механической энергии, которую использует в своей деятельности человечество, вырабатывается двигателями внутреннего сгорания (ДВС). Они являются основными
потребителями топлив нефтяного происхождения, и потребность ДВС в топливе на 97-99% удовлетворяется за счет нефтяного топлива.
Известно, что мировые запасы нефти с каждым годом сокращаются, а новые месторождения находятся все реже. По оценке специалистов запасы нефти закончатся еще при жизни нынешнего поколения. Через двадцать лет, ее потребление, при сохранении темпов роста, возрастет еще на 20%, развивающиеся страны будут потреблять нефти на 50% больше, чем сегодня. Производители топлива на основе нефти будут не в состоянии удовлетворить возросшие потребности человечества по причине дефицита сырья, что приведет к обострению, в масштабах всей планеты, проблемы энергетического кризиса.
Сегодня перед учеными и инженерами стоит чрезвычайно ответственная и серьезная задача: найти и реализовать на практике методы получения топлив альтернативных нефтяному топливу для нужд техники, оснащенной двигателями внутреннего сгорания, что призвано разрешить общемировую политическую напряженность, которая практически неизбежна, на фоне глобального энергетического кризиса. Перед творцами науки и техники стоит задача предложить нашей техногенной цивилизации путь рационального, ресурсосберегающего и природосберегающего пользования, найдя новые источники топлива.
Говоря о последних тенденциях в области двигателестроения, следует отметить, что крупнейшие фирмы-производители особое внимание уделяют разработкам и производству двигателей с воспламенением от сжатия, как более экономичным, по сравнению с двигателями с принудительным воспламенением. Этот тип двигателей прошел сложный путь развития от предложенной Рудольфом Дизелем идеи компрессорного впрыска угольной пыли, до современных высокооборотных машин, работающих на жидком топливе, в которых реализовано множество достижений научно-технического прогресса. Двигатели с воспламенением от сжатия зарекомендовали себя
надежными, экономичными и обладающими хорошими экологическими характеристиками силовыми установками, и на сегодняшний день они являются наиболее перспективными силовыми агрегатами для транспорта, находящимися в массовом производстве.
Благодаря особенностям протекания рабочего процесса, дизельный двигатель позволяет применять топлива широкого фракционного состава, и на одном из этапов освоения этих моторов проявлялся интерес к конструкциям двигателей способных работать на широком спектре топлив - это так называемые многотопливные двигатели. Следует отметить, что для главных судовых двигателей нефтеналивных танкеров и прочих судов с большим водоизмещением в качестве топлива, очень часто, применяется мазут [68]. Основная же масса дизелей сегодня работает на традиционном дизельном топливе.
В последнее время новым этапом заинтересованности к вопросу применения в двигателях топлив, альтернативных нефтяным, стал поиск возобновляемых источников горючего на фоне энергетического кризиса. На начальном этапе развития этой идеи, особое предпочтение отдавалось вопросу применения спиртов из сырья растительного происхождения, и в этой области были достигнуты определенные успехи, как в разработке, так и в реализации технических решений. Но все большую актуальность приобретает вопрос использования растительных масел в качестве альтернативного топлива для двигателей с воспламенением от сжатия - дизелей [12,28].
Большинство развитых стран мира прилагают большие усилия в плане разработки методов производства и использования топлив, получаемых из семян растений масличных культур. В качестве топлива используют пальмовое, соевое, подсолнечное, арахисовое, рапсовое и другие масла. Для стран с умеренным климатом, исходя из возможности выращивания, урожайности, содержания масла в семенах, возможным и,
в тоже время, наиболее рентабельным признано производство топлива на основе рапсового масла.
Цель данной диссертационной работы заключается в разработке конструктивных и регулировочных мероприятий, обеспечивающих эффективное использование чистого рапсового масла в качестве топлива для дизелей с объемно-пленочным смесеобразованием.
Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи:
Выполнение анализа работ по использованию альтернативных топлив в двигателях внутреннего сгорания.
Модернизация ранее созданного на кафедре ДВС АлтГТУ испытательного стенда.
Исследование, с применением оптического метода, различий в протекании процесса топливоподачи нефтяного дизтоплива и рапсового масла.
Сравнительный анализ рабочего процесса дизеля при его работе на нефтяном дизтопливе и чистом рапсовом масле на основании данных стендовых испытаний с индицированием.
Разработка и исследование эффективности мероприятий по оптимизации рабочего процесса дизеля на чистом рапсовом масле.
Научная новизна работы.
Произведено сравнительное исследование процессов топливоподачи, рабочего процесса, экологических и экономических характеристик дизеля с объемно-пленочным смесеобразованием при работе на рапсовом масле и дизтопливе без проведения мероприятий по оптимизации. На основании этого произведена оценка влияния физико-химических свойств рапсового масла на параметры топливоподачи, рабочего процесса, токсичности.
Получены данные сравнительного исследования процесса макросмесеобразования факела (далее струи) дизельного топлива и рапсового масла с применением оптического метода. На основании анализа полученных данных разработан, изготовлен и испытан специальный распылитель для рапсового масла, обеспечивающий улучшение основных показателей рабочего процесса двигателя.
На основании проведенных исследований разработаны мероприятия по оптимизации рабочего процесса на рапсовом масле с наименьшими конструктивными изменениями, что является ценным для сельских хозяйств. Результаты проведенных испытаний подтверждают улучшение параметров работы двигателя благодаря рекомендуемым мероприятиям.
Методы исследования. Работа базируется на экспериментальных исследованиях, в ходе которых были получены многочисленные данные, использованные для тщательного анализа внутрицилиндровьк процессов. Для получения достоверных результатов были использованы современные методы измерения и регистрации параметров. Обработка полученных данных проводилась по современным расчетным методикам.
Практическая ценность работы. Установлены количественные и качественные характеристики показателей дизеля с объемно-пленочным смесеобразованием при использовании рапсового масла в качестве топлива. Произведено их сопоставление с характеристиками работы дизеля на стандартном нефтяном дизтопливе. Произведена оценка мероприятий по оптимизации рабочего процесса на рапсовом масле, намечены основные пути в решении задачи эффективного использования рапсового масла в качестве топлива. Результаты работы использованы в учебном процессе и НИРС АлтГТУ им. И.И. Ползунова.
Реализация результатов работы. Данные исследования использованы:
при выполнении программы министерства образования и науки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы» по проекту «Разработка способов применения рапсового масла в качестве моторного топлива для ДВС» № гос. регистрации 0120.0502609;
при выполнении работ по государственному контракту № 4346р/6753 «Оптимизация конструкции и параметров топливной системы двигателя, работающего на рапсовом масле»;
при выполнении работ по договорам № 55-06 «Адаптация дизельных двигателей к топливу на основе рапсового масла» и № 102-06 «Применение смесей рапсового масла и дизельного топлива», заключенными с Администрацией Алтайского края; при выполнении работ по хоздоговору с ОАО АЗПИ «Испытание распылителей 6А1 и 6А1Р при работе на дизельном топливе и рапсовом масле»;
студентами и аспирантами кафедры ДВС АлтГТУ при выполнении дипломных проектов и в работах над диссертациями.
Апробация работы. Основные результаты данной работы были доложены или представлены:
на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Двигатели внутреннего сгорания -современные проблемы, перспективы развития», Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова, Барнаул, 2006;
на Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы теории и практики современного двигателестроения», ЮУрГУ, Челябинск, 2006; на 64-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава технического университета им. И.И. Ползунова;
на всероссийской научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии технического сервиса», Башкирский государственный аграрный университет, Уфа, 2007;
на Международной научно-технической конференции «Двигатель - 2 007» - посвященной 100-летию специальности «Двигатели внутреннего сгорания» МГТУ им. Н. Э. Баумана;
на 10-й международной конференции «TRANSPORT MEANS 2006», Технологический университет, Каунас, Литва, 2006.
Публикации. Результаты данной диссертации опубликованы в 7 печатных работах, в т.ч. в одном издании, рекомендованном ВАК.
Объем работы. Диссертационная работа имеет объем 135 страниц машинописного текста, 35 рисунков и 5 таблиц.
На защиту выносятся: результаты оптического исследования влияния физико-химических свойств рапсового масла на процесс впрыска топлива, результаты стендовых испытаний двигателя при его работе на дизтопливе и чистом рапсовом масле, а также результаты анализа мероприятий по оптимизации рабочего процесса дизеля с объемно-пленочным смесеобразованием на чистом рапсовом масле.
Топлива на основе растительных масел, как наиболее перспективные топлива для дизельных двигателей
В настоящее время ведущими мировыми государствами активно ведутся работы, по решению проблемы массового использования биотоплива на нужды автотранспорта, сельхозтехники, малой энергетики и прочих областях, где используются ДВС. Интерес к данным исследованиям виден как в странах, не имеющих собственных запасов нефти, так и в странах располагающих месторождениями ископаемого сырья для производства топлива.
На альтернативные топлива растительного происхождения делается основной акцент в решении энергетических задач стран европейского союза. Например директивой Евросоюза 2003/30 ES от 8 мая 2003 года доля биотоплива должна быть в 2010 году не менее 5,75%, что составит 12 млн. тонн. Здесь на межгосударственном уровне принято решение о том, что, начиная с 2009 года, все страны ЕС обязаны выпускать и потреблять биодизельное топливо. Правительства этих стран предоставляют производителям биотоплива всевозможные льготы.
В развитых странах мира начало активного исследования проблемы применения биотоплив в дизелях относится к 1982 г. [48]. С этого времени выполнен емкий комплекс научных исследований и осуществлена реализация результатов на практике в конструкторских и технологических решениях выпускаемых моделей дизелей. Многие ведущие фирмы такие как, DaimlerChrysIer и Volkswagen, выпускают в настоящее время дизели, приспособленные для работы на биотопливах и их смесях с нефтяным топливом.
В странах с умеренным климатом, таких как Канада, Германия, Франция, Великобритания и Польша наибольшее распространение в качестве альтернативного получило топливо на основе рапсового масла. Объясняется это высокой урожайностью рапса в этих климатических условиях и высоким маслосодержанием семян. Рапс хорошо произрастает в условиях относительно влагообеспеченных территорий, его урожайность может достигать 30-40 центнеров семян с гектара, содержание масла, в которых достигает 45-48% [50].
Для России, также исходя из климатических условий большинства её аграрных районов, наиболее целесообразным является применение биотоплива на основе рапсового масла [8,50].
Альтернативным топливам, в том числе, растительного происхождения уделяется внимание в Российской программе «Энергосбережение в АПК» на 2001 - 2006 г.г. Данная программа разработана в соответствии с постановлением Правительства Российской Федерации от 15.06.98 г. № 588, её целью является разработка и внедрение ресурсосберегающих технологий в области агропромышленного комплекса.
Аналогично ей, в странах Балтии, Литве в частности, решением Правительства определены приоритетными и поддерживаются государственным фондом науки и образования исследования и новые технологии по тематике «Изменения экосистем и климата» [73]. Явно, что решение данной проблемы для России и большинства стран Восточной Европы имеет много схожих компонентов и особенностей.
Большой интерес к рапсовому маслу, как топливу для ДВС на мировом уровне виден из того, для его выращивание выделяются все большие площади. Особенно выросли сборы рапса в Китае, Индии, Канаде и странах ЕС, Франции, Германии, Великобритании и Дании [39].
DaimlerChrysler и Volkswagen участвуют в исследовательском проекте [39], целью которого является изучение биотоплива и возможного его промышленного использования. Ведет этот проект немецкая компания Choren Industrie GmbH. Главная цель - выявление способов получения высококачественного топлива из биомассы.
Объём производства топлива на основе рапсового масла с каждым годом увеличивается. В Австрии, например, биотопливо (метиловый эфир рапсового масла) уже сейчас составляет 3% общего рынка дизельного топлива при наличии производственных мощностей до 30 тыс. тонн в год; во Франции эти мощности составляют 20 тыс. тонн в год; в Италии - 60 тыс. тонн в год. В США планируется на 20% заменить обычное дизельное топливо биотопливом и использовать его на морских судах, городских автобусах и грузовых автомобилях.
Латвийский производитель биотоплива компания Delta-Riga построила в 2001г. в Наукшены, Валмиерский район, первый завод по производству биодизельного топлива из рапсового масла, инвестировав в проект свыше миллиона долларов.
Для России эта задача актуальна не только в условиях истощения мировых запасов нефти, но также и в сложившейся ситуации регулирования цен на нефтепродукты на внутреннем рынке, когда производители сельхозпродукции испытывают большие затруднения из-за высоких цен на горюче-смазочные материалы. Особенно это заметно на примере аграрных районов, областей и краев. Ежегодно сельскохозяйственные предприятия России потребляют около 5,5 млн. тонн нефтяного дизтоплива [8].
Алтайский край является тем регионом, в экономике которого продукция сельского хозяйства составляет существенную долю. На территории нашего края существует множество работающих и развивающихся хозяйств различной величины. И, как известно, эти хозяйства испытывают подчас серьёзные трудности, связанные с высокой ценой на топливо, особенно в период уборки урожая. Одним из вариантов решения данной проблемы является использование в качестве топлива рапсового масла. По оценке специалистов [50], для производящих сельхозпродукцию предприятий производство рапсового масла значительно дешевле, чем закупка нефтяного топлива и обеспечивает определённую независимость от поставщиков нефтепродуктов.
Методика эксперимента. Измерение и обработка экспериментальных данных
В основу методики исследований был положен сравнительный метод. В зависимости от задачи, на каждом этапе проводилась оптическая регистрация топливной струи при впрыске в атмосферу, снятие регулировочных, нагрузочных и скоростных характеристик работы двигателя. В ходе испытаний предусматривалось получение следующих экспериментальных данных: частоты вращения коленчатого вала двигателя; крутящего момента двигателя; расхода топлива; расхода воздуха; данных по токсичности и дымности отработавших газов; а также проводилась регистрация: температуры охлаждающей жидкости, на входе и выходе двигателя; температуры моторного масла, на входе и выходе двигателя; температуры топлива на входе в топливный насос высокого давления; температуры отработавших газов двигателя; давления масла в масляной магистрали двигателя; и регистрация быстро протекающих процессов с помощью комплекса Н-2000 на базе ЭВМ: давления газов внутри цилиндра двигателя; давления топлива на линии высокого давления, после нагнетательного клапана топливного насоса высокого давления; подъема иглы форсунки. Экспериментальные исследования для решения задач данной диссертационной работы проводились в три этапа.
В ходе первого этапа проводилось сравнительное исследование параметров топливной струи стандартного дизтоплива и рапсового масла при впрыске в атмосферу. Компоновочная схема установки для проведения данного этапа исследования представлена на рисунке 2.5. В ходе проведения эксперимента двигатель приводился во вращение от электро-динамометра установки. Исследования проводились с применением штатной топливной аппаратуры двигателя (ТНВД, форсунка, распылитель предназначенные для работы на стандартном дизельном топливе). Форсунка была закреплена на штативе таким образом, что топливо распыливалось на фоне черного экрана. Съемка производилась с подсветкой от дополнительного источника (два галогенных светильника). Топливоподача и скоростной режим соответствовали номинальному режиму работы двигателя (1750 об/мин при pi = 0,8 МПа).
В ходе второго этапа экспериментальных исследований необходимо было установить различия в протекании рабочего процесса дизеля при его работе на стандартном дизтопливе и чистом рапсовом масле. Для этого были проведены сравнительные испытания на двух видах топлива. Испытания дизеля проводились со штатной системой топливоподачи: штатный распылитель, давление начала впрыска 17,5 МПа. На основании полученных экспериментальных данных был сделан расчет основных показателей цикла.
В ходе третьего этапа экспериментальных исследований проводилась оценка мероприятий, направленных на оптимизацию рабочего процесса двигателя на рапсовом масле. Для этого было исследовано: влияния угла опережения впрыска топлива, температуры топлива, давления начала впрыска топлива, эффективного проходного сечения распылителя форсунки. Кроме этого были проведены сравнительные испытания двигателя с использованием распылителей специальной конструкции: специальный распылитель №1 - распылитель производства ОАО «АЗПИ» и специальный распылитель №2 -экспериментальный распылитель с увеличенным количеством сопловых отверстий.
Для определения влияния угла опережения впрыска топлива на показатели рабочего процесса дизеля при его работе на чистом рапсовом масле проводилось снятие регулировочных характеристик по углу опережения впрыска топлива. Двигатель был укомплектован штатной системой топливоподачи. Угол изменяли в диапазоне 10-40 град до ВМТ при установке в статике по мениску.
Для определения влияния эффективного проходного сечения распылителя форсунки на показатели рабочего процесса дизеля проводилось снятие нагрузочных характеристик, на частоте вращения п=1750 мин"1, при установке распылителей с разным эффективным проходным сечением, mf=0,236 мм и mf=0,313 мм (использовались распылители с различным диаметром распыливающих отверстий). Нагрузку в процессе снятия характеристик изменяли в диапазоне pj=0,35 -0,8МПа.
Для исследования влияния температуры топлива на рабочий процесс двигателя экспериментальная установка была оборудована устройством подогрева топлива на линии низкого давления. Для контроля температуры в корпусе топливного насоса высокого давления (ТНВД) установлена хромель-копелевая термопара, подключенная к термопотенциометру. Рапсовое масло подвергалось нагреву в диапазоне от 40 до 95 С. Двигатель был укомплектован штатной топливной аппаратурой со штатными регулировками.
Исследование процесса впрыска топлива оптическим методом
Групповой химический состав нефтяного топлива характеризует содержание в топливе углеводородов различных гомологических рядов, что определяет основные физико-химические свойства топлива, от которых зависят процессы смесеобразования, воспламенения и сгорания [30,31,40,52].
Как известно, групповой химический состав стандартного дизтоплива нефтяного происхождения определяется набором фракций, выделяемых, как топлива для дизелей и отличается большим разнообразием углеводородов. В соответствии с ГОСТ к дизельному топливу относятся углеводороды, выкипающие при температуре от 230 до 345С [61]. Групповой состав углеводородного топлива оказывает существенное влияние на топливоподачу и внутрицилиндровые процессы двигателя [49]. Известно, что большое количество легких фракций в топливе ведет к более жесткому протеканию процесса сгорания, что негативно влияет на износ деталей цилиндропоршневой группы, двигатель работает более шумно, увеличивается содержание оксидов азота в отработавших газах двигателя. С другой стороны, большое количество тяжелых фракций способствует ухудшению распыливания и ухудшению смесеобразования, что ведет к «затягиванию» процесса сгорания и увеличению дымности, что в совокупности сказывается на ухудшении экономичности двигателя.
Исходя из вышесказанного, для достижения высоких экологических и экономических показателей работы двигателя необходимо использовать топлива соответствующего фракционного состава. В случае использования топлива, в котором преобладают тяжелые фракции, необходимо предусмотреть конструктивные меры для оптимизации процессов топливоподачи, смесеобразования и сгорания. На примере крупных судовых дизелей, мы встречаем практику использования топлив с преобладанием тяжелых фракций. Для обеспечения возможности работы двигателя на тяжелых топливах системы питания судов оборудуются целым комплексом специального оборудования, позволяющим осуществить процесс топливоподачи должным образом [25, 53, 60,64].
Групповой химический состав рапсового масла определяется наличием химических соединений в семенах рапса, извлекаемых при отжиме с последующей обработкой по очистке от ненужных примесей.
Очищенное рапсовое масло представляет собой смесь высших жирных (карбоновых) кислот: пальмитиновой, стеариновой, олеиновой, линолевой, линоленовой, эйкозеновой и эруковой, следовательно, групповой химический состав рапсового масла характеризует содержание в нем различных компонентов гомологического ряда данных соединений.
Высшие карбоновые кислоты являются производными углеводородов, в молекулах которых имеется карбоксильная группа, или карбоксил [45, 42, 67]. Карбоксил представляет собой соединение двух кислородсодержащих группировок: карбонильной С=0; и гидроксильной -ОН.
Кислотные свойства карбоновых кислот обусловлены водородом карбоксильной группы.
Низшие члены гомологического ряда карбоновых кислот (муравьиная, уксусная, пропионовая) растворяются в воде в любых пропорциях - это обусловлено гидрофильными свойствами карбоксильной группы. С ростом молекулярной массы растворимость кислот в воде падает в виду того, что гидрофобные свойства углеводородного радикала начинают преобладать над гидрофильными свойствами карбоксильной группы. Поэтому высшие карбоновые кислоты являются веществами, нерастворимыми в воде.
В таблице 3.1 приведены данные одного из хроматографических исследований рапсового масла ГОСТ 30089-93. Как видно основными составляющими являются олеиновая, ленолевая и эруковая кислоты.
Следует отметить, что представленное в таблице процентное соотношение кислот будет меняться, в некоторой степени, в зависимости от сорта растения рапс, условий выращивания и прочих причин. Элементарный состав топлива.
Элементарным составом называется массовое или объемное содержание отдельных химических элементов в одном килограмме топлива. Для жидких топлив, элементарный состав выражается в единицах массы (кг). С + Н + 0 = 1, где С, Н и О - массовые доли углерода, водорода и кислорода в 1 кг топлива. Для стандартного нефтяного дизельного топлива средний элементарный состав следующий С = 0,870 кг, Н = 0,126 кг, О = 0,004 кг. Рассчитаем среднюю молекулярную массу рапсового масла, используя расчетные данные предыдущего пункта: ЦрМ = 12 18,2954 + 1 33,992 + 16 2 = 285,54 кг/кмоль. Следовательно, массовые доли углерода, водорода и кислорода в 1 кг топлива будут следующие: С = 12 18,2954 / 285,54 = 0,77 кг; Н= 1 33,992/285,54 = 0,12 кг; 0=16 2/285,54 = 0,11 кг. Теоретически необходимое количество воздуха, для окисления одного килограмма топлива.
При сгорании топлива в цилиндре двигателя происходят сложные химические процессы с образованием промежуточных продуктов, но в целом, основными продуктами сгорания углеводородного топлива являются углекислый газ СОг и водяной пар Н20. При этом углерод и водород топлива реагируют с кислородом воздуха. Если топливо, участвующее в реакции, является кислородсодержащим, как в случае с рапсовым маслом, то атомарный кислород топлива также участвует в образовании конечных продуктов реакции горения и, следовательно, для такого топлива потребуется меньшее количество атмосферного кислорода.
Одной из основных характеристик топлива является стехиометрический коэффициент, который равен наименьшему теоретическому количеству воздуха, необходимому для полного сгорания 1 кг топлива. Этот показатель рассчитывается по следующему выражению [1]:
Влияние температуры топлива на рабочие показатели двигателя
Для исследования влияния температуры рапсового масла на рабочий процесс двигателя установка была оборудована устройством подогрева топлива на линии низкого давления, для контроля температуры в корпусе топливного насоса высокого давления (ТНВД) установлена хромель-копелевая термопара, подключенная к термопотенциометру. Топливо подвергалось нагреву в диапазоне от 40 до 95 С. Режим работы двигателя был выбран близким к 103 номинальному: частота вращения коленчатого вала поддерживалась постоянной 1750 мин"1, среднее индикаторное давление в начале испытаний соответстовало 0,8 МПа. Для каждой точки проводилось измерение состава отработавших газов двигателя и индицирование камеры сгорания, запись изменения давления в трубопроводе высокого давления.
На рисунках 4.4 и 4.5 представлены данные исследования влияния степени подогрева рапсового масла на показатели экономичности работы двигателя и на состав отработавших газов.
Из рассмотрения представленных графиков видно, что по мере увеличения температуры топлива наблюдается следующее: 1. уменьшение на 5% среднего индикаторного давления; 2. ухудшение экономичности, индикаторный расход топлива увеличился на 10%; 3. содержание СО в отработавших газов практически не изменилось; 4. содержание оксидов азота понизилось на 3%, что объясняется уменьшением периода задержки воспламенения и увеличением продолжительности подачи топлива по причине увеличения сжимаемости (с ростом температуры уменьшается плотность топлива).
По данным исследований [52] топливо в корпусе распылителя прогревается до температур превышающих 100С, и следовательно, нет смысла подогревать его перед подачей к ТНВД. Кроме того повышение температуры приводит к существенному увеличению сжимаемости топлива, что негативно сказывается на характеристике топливоподачи, процесс впрыска топлива растягивается во времени, максимальные давления топливоподачи снижаются.
Исходя из данных проведенного исследования, можно сделать следующий практический вывод: для организации работы двигателя на чистом рапсовом масле необходимо организовать подогрев топлива, чтобы понизить его вязкость и дать ему возможность свободно проходить по элементам трубопровода низкого давления, в особенности, через топливный фильтр, но при этом подогрев должен быть ограничен 40С, чтобы слишком большое увеличение температуры не приводило к ухудшению экономичности дизеля.
Начало и конец подачи топлива характеризуются низким качеством распиливания топлива [1, 27, 52, 57], связано это с низким давлением топлива, истекающего из сопел в момент подъема иглы форсунки. Многочисленными исследованиями доказано, что в моменты начала и окончания впрыска топливная струя состоит из капель топлива большого размера, которые приводят к ухудшению смесеобразования, увеличению содержания твердых частиц в отработавших газах и падению экономичности работы двигателя.
Известно, что периоды начала и окончания впрыска тем меньше, чем выше давление начала подъема иглы форсунки, которое зависит от усилия предварительной затяжки пружины. Для данного типа двигателя номинальным является давление начала впрыска 17,5 МПа. В ходе испытаний давление меняли в диапазоне от 15 до 22,5 МПа, т.е. вниз и вверх от номинального значения.
Из анализа представленных на рисунках 4.6 и 4.7 графиков видно следующее: 1. экономичность двигателя улучшается с увеличением давления начала впрыска относительно номинального, 17,5 МПа, и ухудшается с его уменьшением; 2. содержание оксидов азота в отработавших газах уменьшается с увеличением давления до 22,5 МПа на 7% , что объясняется уменьшением периода индукции самовоспламенения.
На основании проведенного исследования следует, что не целесообразно понижать давление начала впрыска ниже чем 17 МПа, т.к. это приводит к существенному ухудшению экономичности. Повышение давления ведет к небольшому улучшению экономичности работы двигателя и снижению токсичности отработавших газов, что позволяет сделать вывод о целесообразности его увеличения, но до пределов допустимых топливными насосами данной конструкции, по причине роста нагрузки на детали ТНВД. Применение систем 107 топливоподачи с повышенной энергией впрыска, при использовании рапсового масла, должно положительно сказаться на технико-экономических параметрах двигателя. Для данной конструкции топливной аппаратуры целесообразно применять давление начала впрыска 20 МПа.
