Работа тракторного дизеля на бионефтяном топливе в режиме холостого хода

Полный текст

В последние десятилетия наблюдается существенный рост внимания к развитию возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Наибольшие достижения в развитии ВИЭ отмечаются в электроэнергетике, что обусловлено использованием уже зарекомендовавшей себя гидроэнергетики, развитием ветроэнергетики, а также большим прогрессом в использовании солнечной энергии. Однако, по данным международного энергетического агентства (МЭА) электроэнергия составляет около 20% от потребляемой энергии в мире. Достаточно существенная доля потребляемой энергии приходится на транспортные средства, что повышает значение исследований в области перехода транспорта с традиционных видов нефтяного (дизтопливо, бензин, керосин) и газового (сжиженный и сжатый газ) топлива на ВИЭ.

По данным МЭА в общем объёме ВИЭ, применяемых в настоящее время на транспорте, большую долю (до 93%) обеспечивает биотопливо. МЭА прогнозирует, что до 2024 года произойдёт увеличение на 24% (на 0,9 ЭДж) производства биотоплива, используемого на транспорте [1].

Большая доля производимого сейчас биотоплива основана на использовании гидроочищенного растительного масла (HVO), производство которого по оценкам экспертов МЭА к 2024 году увеличится вдвое, по сравнению с существующими объёмами производства, и составит 13 млрд литров. В качестве сырья для HVO, как правило, служат отработанные жиры, масла и смазки (FOG) [1]. Однако, необходимо отметить, что запасы данного сырья ограничены, что обуславливает растущий интерес к развитию новых технологий производства биотоплива на основе более дешевого и доступного сырья.

Альтернативой традиционному моторному топливу, применяемому в современных дизельных двигателях внутреннего сгорания, в настоящее время является дизельное смесевое бионефтяное топливо (ДСБНТ), получаемое путём смешивания в различных пропорциях растительного масла (РМ) и товарного нефтяного дизельного топлива (ДТ) [2-8]. В исследовательских и образовательных центрах России и ведущих странах мира ведутся исследования ресурсной базы, обладающей потенциальными возможностями для использования в ДСБНТ таких растительных масел, которые бы обладали не только функциями биокомпонента, но и функциями биодобавки. К такому растительному компоненту ДСБНТ относится редечное масло [2].

В условиях перехода работы тракторной техники с традиционных видов моторного топлива на ВИЭ возникает необходимость проведения экспериментальных исследований дизелей при их работе на альтернативных видах топлива. Одним из видов альтернативного моторного топлива является дизельное смесевое бионефтяное топливо (ДСБНТ), в котором редечное масло выполняет одновременно функции растительного компонента и биологической добавки.

Экспериментальными исследованиями установлено, что в процессе эксплуатации автотракторной техники продолжительность работы дизеля в безнагрузочном режиме самостоятельного холостого хода (БРСХХ) может достигать 1/3 от общего времени работы, а из-за малых цикловых подач топлива у дизеля наблюдется ухудшение протекания рабочего процесса, что негативно сказывается на его технико-экономических и экологических показателях [9].

Цель исследований – выполнить экспериментальную оценку технико-экономических и экологических показателей атмосферного тракторного дизеля Д-243 при его работе в безнагрузочном режиме самостоятельного холостого хода на дизельном смесевом бионефтяном топливе, растительным компонентом которого является редечное масло.

Задачи исследований – определить показатели рабочего процесса и топливной экономичности дизеля Д-243 при его работе в безнагрузочном режиме самостоятельного холостого хода на дизельном смесевом бионефтяном топливе, растительным компонентом которого является редечное масло; определить влияние состава дизельного смесевого бионефтяного топлива на экологические показатели работы дизеля; оценить влияние обработки ультразвуком дизельного смесевого бионефтяного топлива, содержащего редечное масло, на технико-экономические и экологические показатели.

Материал и методы исследований. Для оценки технико-экономических и экологических показателей были выполнены сравнительные экспериментальные исследования дизеля Д-243 при его работе в БРСХХ на ДСБНТ и нефтяном ДТ. Исследования дизеля проводились на обкаточно-тормозном стенде при работе двигателя на ДСБНТ с содержанием в нём редечного масла 25, 50, 75 и 90%. Для работы дизеля на ДСБНТ он был оснащён двухтопливной системой питания [10, 11].

В процессе исследований проводилась также оценка влияния на показатели дизеля ультразвуковой (УЗ) обработки ДСБНТ. При этом оценка влияния УЗ обработки осуществлялась на ДСБНТ с содержанием 90% редечного масла, так как при работе дизеля на биотопливе данного состава происходят наиболее существенные изменения показателей дизеля по сравнению с его работой на нефтяном ДТ. Для этого ДСБНТ с содержанием 90% редечного масла было подвергнуто обработке на диспергаторе УЗДН-2Т длительностью 50 минут ультразвуком частотой 44 кГц.

При проведении исследований оценивались следующие технико-экономические и экологические показатели дизеля: η_v – коэффициент наполнения, α – коэффициент избытка воздуха, P_z – максимальное давление цикла, G_т – часовой расход топлива, Д – дымность отработавших газов (ОГ) и СО – содержание оксида угерода в ОГ. Перечисленные показатели оценивались при работе дизеля на минимально-устойчивой частоте вращения коленчатого вала (к.в.) n = 800 мин^-1 (рычаг управления подачей топлива был установлен в положение минимальной подачи).

Результаты исследований. Результаты выполненных исследований (рис. 1) показали, что максимальное давление цикла при работе на всех видах топлива неизменно и равно 6,3 МПа. Изменение содержания редечного масла в ДСБНТ также не повлияло и на коэффициент наполнения, который для всех исследованных видов топлива, включая традиционное нефтяное ДТ, составил 0,87.

 

Рис. 1. Изменение показателей рабочего процесса дизеля в БРСХХ в зависимости от состава ДСБНТТ: 1 – нефтяное ДТ; 2 – ДСБНТ с содержанием редечного масла 25%; 3 – ДСБНТ с содержанием редечного масла 50%; 4 – ДСБНТ с содержанием редечного масла 75%; 5 – ДСБНТ с содержанием редечного масла 90%;  неозвученное ДСБНТ; озвученное ДСБНТ

 

Оценивая динамику коэффициента избытка воздуха при изменении содержания редечного масла в ДСБНТ можно отметить, что увеличение доли масла редьки влияет на параметры топливоподачи (цикловую и часовую подачи топлива) и приводит к снижению данного коэффициента. Так, при работе на ДСБНТ с содержанием редечного масла 25% коэффициент α = 6,006, а при работе на ДСБНТ с содержанием редечного масла 50% коэффициент α = 5,78. Наименьшее значение коэффициента α = 4,818 наблюдается при работе на ДСБНТ с содержанием редечного масла 90%, что на 32,9% ниже, чем при работе на нефтяном ДТ (α = 7,187).

При оценке часового расхода топлива (рис. 2) в зависимости от вида исследованного топлива определено, что с ростом содержания редечного масла в ДСБНТ происходит увеличение часового расхода топлива. Так, при работе двигателя на ДСБНТ с содержанием редечного масла 25% расход G_т = 1,4 кг/ч, а при работе на ДСБНТ с содержанием редечного масла 90% расход G_т = 1,9 кг/ч, что на 72,3% больше, чем при работе на нефтяном ДТ (G_т = 1,1 кг/ч).

 

Рис. 2. Изменение топливных и экологических показателей дизеля в БРСХХ в зависимости от состава ДСБНТ: 1 – нефтяное ДТ; 2 – ДСБНТ с содержанием редечного масла 25%; 3 – ДСБНТ с содержанием редечного масла 50%; 4 – ДСБНТ с содержанием редечного масла 75%; 5 – ДСБНТ с содержанием редечного масла 90%;  неозвученное ДСБНТ; озвученное ДСБНТ

 

Исследования дизеля в БРСХХ показали разнонаправленную динамику дымности ОГ при увеличении содержания масла редьки в ДСБНТ. При увеличении доли редечного масла в ДСБНТ до 50% наблюдалось уменьшение дымности, а при дальнейшем увеличении доли редечного масла происходило увеличение дымности ОГ. Так, например, при работе двигателя на ДСБНТ с содержанием редечного масла 25% Д = 3%, а при работе на ДСБНТ с содержанием редечного масла 50% Д = 2%, что на 66,7% лучше показателя дымности при работе на нефтяном ДТ (Д = 6%). Однако, при работе двигателя на ДСБНТ с постепенным увеличением доли масла редьки более 50% показатель дымности ухудшался, так при работе двигателя на ДСБНТ с содержанием редечного масла 90% Д = 10%.

Аналогичную динамику демонстрировал и показатель, характеризующий содержание оксида углерода в ОГ. Так, при работе двигателя на ДСБНТ с содержанием редечного масла 25% СО = 0,05%, а при работе на ДСБНТ с содержанием редечного масла 50% СО = 0,04%. При дальнейшем увеличении доли редечного масла происходило постепенное ухудшение данного показателя и при работе двигателя на ДСБНТ с содержанием редечного масла 90% СО = 0,11%. Таким образом, наилучшее значение СО, полученное при работе двигателя на ДСБНТ с содержанием редечного масла 50%, на 42,9% лучше значений, полученных при работе на нефтяном ДТ (СО=0,07%).

Проводимая в процессе исследований оценка влияния ультразвуковой обработки ДСБНТ с содержанием редечного масла 90% на исследуемые показатели показала, что при работе дизеля на обработанном УЗ топливе коэффициент α = 5,085, что на 5,2% больше, чем при работе двигателя на необработанном ультразвуком ДСБНТ с содержанием редечного масла 90% (α = 4,818). Положительное влияние ультразвуковой обработки ДСБНТ с содержанием редечного масла 90% отмечается также и на часовой расход топлива. Так, при работе дизеля на обработанном ультразвуком ДСБНТ с содержанием редечного масла 90% расход G_т = 1,8 кг/ч, что на 5,3% меньше, чем на необработанном.

Экологические показатели, определяемые при проведении исследований, также показали положительную динамику влияния ультразвуковой обработки ДСБНТ с содержанием редечного масла 90%. Так, дымность ОГ обработанного УЗ ДСБНТ с содержанием редечного масла 90% уменьшилась на 10% (Д = 9%), а содержание оксида углерода уменьшилось на 9% (СО=0,1%), по сравнению с работой на необработанном ДСБНТ.

Заключение. При работе атмосферного тракторного дизеля Д-243 на всех исследованных составах ДСБНТ происходит некоторое ухудшение показателей рабочего процесса и топливной экономичности по сравнению с работой на товарном нефтяном ДТ. Наилучшие экологические показатели наблюдаются при работе дизеля на ДСБНТ с содержанием в нём 50% редечного масла. Ультразвуковая обработка ДСБНТ, содержащего редечное масло, способствует качественному смешиванию нефтяного и растительного компонентов и разрыву межмолекулярных связей, что способствует улучшению технико-экономических и экологических показателей дизеля.

Об авторах

Александр Петрович Уханов

Пензенский государственный аграрный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: dispgau@mail.ru
ORCID iD: 0009-0006-2210-5294

доктор технических наук, профессор

Россия, Пенза

Евгений Алексеевич Сидоров

Ульяновский государственный аграрный университет

Email: sidorovevgeniy@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-6470-941X

кандидат технических наук, доцент

Россия, Ульяновск

Лилия Ильдаровна Сидорова

Ульяновский государственный аграрный университет

Email: lis.ulgau@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8693-6090

кандидат технических наук, доцент

Россия, Ульяновск

Список литературы

Дополнительные файлы