Исследование рабочих режимов дизельного двигателя на биотопливе

Введение. Современные исследования, направленные на снижение выбросов вредных веществ, образующихся в результате работы дизельных двигателей с использованием альтернативного топлива, подчеркивают их значимость и актуальность. Эта тема приобретает всё большую важность в контексте глобальных экологических изменений. Разработка и внедрение альтернативных источников энергии не только способствуют улучшению качества воздуха, но и помогают уменьшить зависимость от ископаемых топлив. Поэтому важно продолжать инвестировать в научные исследования и новые технологии, которые позволят добиться более чистого и эффективного использования ресурсов. На сегодняшний день известно множество таких исследований, особенно теоретических, проведённых в европейских и азиатских странах. Однако практически отсутствуют экспериментальные работы, посвящённые полусферическим камерам сгорания российских дизельных двигателей, у которых частота вращения, степень сжатия и другие конструктивные параметры существенно отличаются от аналогичных характеристик, описанных в известных исследованиях. Кроме того, нет практически никаких экспериментов, посвящённых процессу сгорания российских дизельных двигателей с неразделённой полусферической камерой сгорания в поршне, что обуславливает сложность процесса объемно-плёночного смесеобразования.

Целью работы является экспериментальное исследование мощностных и экономических показателей, параметров процесса сгорания дизельного двигателя с неразделённой полусферической камерой сгорания в поршне, работающего на этаноле и рапсовом масле (РМ). Исследование направлено на установление зависимостей, показывающих влияние различных режимов работы двигателя на указанные показатели, с целью определения их числовых характеристик.

Материалы и методы. Запуск дизельного двигателя осуществлялся на рапсовом масле, после чего включалась подача этанола, который заменял рапсовое масло до достижения установленного оптимального значения. Увеличение рабочего нагрузочного режима обеспечивалось регулированием подачи этанола. Для подачи рапсового масла был установлен дополнительный топливный насос высокого давления (ТНВД) 2УТНМ, а подача этанола производилась через стандартную систему топливоподачи.

Результаты исследования. Показатели процесса сгорания дизельного двигателя, работающего на этаноле и рапсовом масле, заметно отличаются от таковых у двигателя, функционирующего на дизельном топливе. При работе на этаноле и рапсовом масле наблюдается увеличение периода задержки воспламенения, что влияет на «жесткость» процесса сгорания и приводит к повышению значений величины P_z. Эти факторы, скорее всего, являются основными ограничениями для использования этанола посредством непосредственного впрыска. Одним из решений данной проблемы, предложенным в настоящей работе, является использование запального (пилотного) рапсового масла, которое позволяет корректировать параметры процесса сгорания, регулируя величину подачи запального топлива.

Обсуждение и заключение. Результаты проведенного экспериментального исследования подтверждают возможность полного замещения нефтяного моторного топлива в дизельном двигателе с неразделенной полусферической камерой сгорания в поршне альтернативным (возобновляемым) топливом, что, несомненно, решает важные вопросы экологической безопасности дизельных двигателей. Результаты исследования могут быть полезны как ученым, занимающимся данной темой, так и инженерно-техническим работникам машиностроительной отрасли.

1. Kavtaradze RZ, Onischenko DO, Golosov AS, Zelentsov AA, Chen Zh, Sakhvadze GZh. The Influence of the “Piston Heat Belt–Sleeve” Gap on Heat Exchange in the Combustion Chamber of an Engine Depending on the Fuel Utilized. Journal of Machinery Manufacture and Reliability. 2022;51(2):112–120. https://doi.org/10.3103/S1052618822010046

2. Кулагин В.А., Грушевенко Д.А., Галкина А.А. Прогноз развития энергетики мира и России до 2050 года. Современная мировая экономика. 2024;2(1):6–22. https://doi.org/10.17323/2949-5776-2024-2-1-6-22

3. Sens M. Hybrid Powertrains with Dedicated Internal Combustion Engines are the Perfect Basis for Future Global Mobility Demands. Transportation Engineering. 2023;13:100146. https://doi.org/10.1016/j.treng.2022.100146

4. Beltrami D, Iora P, Uberti S, Tribioli L. Electrification of Compact Off-Highway Vehicles – Overview of the Current State of the Art and Trends. Energies. 2021;14(17):5565. https://doi.org/10.3390/en14175565

5. Вохмин Д.М., Козин Е.С. Основы мониторинга углеродного следа транспортных потоков крупных городов. Транспорт: наука, техника, управление. Научный информационный сборник. 2024;(6):11–17.

6. Fangyuan Zheng, Haeng Muk Cho. The Effect of Different Mixing Proportions and Different Operating Conditions of Biodiesel Blended Fuel on Emissions and Performance of Compression Ignition Engines. Energies. 2024;17(2):344. https://doi.org/10.3390/en17020344

7. Mateichyk V, Kryshtopa S, Kryshtopa L, Smieszek M, Kostian N, Mosciszewski J, et al. Research of Energy Efficiency and Environmental Performance of Vehicle Power Plant Converted to Work on Alternative Fuels. Machines. 2024;12(5):285. https://doi.org/10.3390/machines12050285

8. Марков В.А., Девянин С.Н., Са Б., Нормуродов А.А. Исследование работы дизельного двигателя на смесевых и эмульгированных биотопливах с добавками рапсового масла. Двигателестроение. 2023;(1(291)):70–90. https://doi.org/10.18698/jec.2023.1.70-90

9. Keunsang Lee, Haeng Muk Cho. Effects of Castor and Corn Biodiesel on Engine Performance and Emissions under Low-Load Conditions. Energies. 2024;17(13):3349. https://doi.org/10.3390/en17133349

10. Kavtaradze RZ, Kondratev AM, Rongrong Ch, Citian Ch, Baigang S, Sakhvadze GZh. Local Heat Exchange in the Combustion Chamber of a Hydrogen Engine Running on a Lean Fuel Mixture. Journal of Machinery Manufacture and Reliability. 2021;50(1):79–87. https://doi.org/10.3103/S105261882101012X

11. Лиханов В.А., Лопатин О.П. Исследование скоростных режимов рабочего процесса дизельного двигателя на биотопливе. Двигателестроение. 2024;296(2):75–83.

12. Rathinavelu V, Kulandaivel A, Pandey AK, Bhatt R, De Poures MV, Hossain I, et al. Production of Green Hydrogen from Sewage Sludge/Algae in Agriculture Diesel Engine: Performance Evaluation. Heliyon. 2024;10(1):e23988. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e23988

13. Zheliezna T, Drahniev S. Comparative Analysis of Biodiesel and Renewable Diesel as Motor Fuels. Journal of Science. Lyon. 2024;57:34–39. https://doi.org/10.5281/zenodo.13694682

14. Kovbasenko S. Possibilities of Enhancing the Environmental Safety of Diesel Vehicles Using Alternative Fuels. Journal of Mechanical Engineering and Transport. 2023;16(2):51–57. https://doi.org/10.31649/2413-4503-2022-16-2-51-57

15. Лиханов В.А., Лопатин О.П. Исследование процесса сгорания в тракторном дизеле при работе на спирте и растительном масле. Тракторы и сельхозмашины. 2023;90(3):191–200. https://doi.org/10.17816/0321-4443-320931

16. Jurj S, Werner T, Grundt D, Hagemann W, Möhlmann E. Towards Safe and Sustainable Autonomous Vehicles Using Environmentally-Friendly Criticality Metrics. Sustainability. 2022;14(12):6988. https://doi.org/10.3390/su14126988

17. Lindemberg De Jesus Nogueira Duarte, Gilson Medeiros, Humberto Neves Maia De Oliveira, Eduardo Lins De Barros Neto, Rayandson Raimundo Da Silva, Jessyca Bezerra. Evaluation of the Effect of Ethyl Alcohol Content in a Ternary Ethanol/Biodiesel/Diesel System. International Journal of Thermodynamics. 2024;27(2):19–26. https://doi.org/10.5541/ijot.1372558

18. Krakowski R, Witkowski K. Investigating the Effects of Environmentally Friendly Additives on the Exhaust Gas Composition and Fuel Consumption of an Internal Combustion Engine. Applied Sciences. 2024;14(7):2956. https://doi.org/10.3390/app14072956

19. Долуда В.Ю., Лакина Н.В., Бровко Р.В., Сульман М.Г. Исследование оптимальных физико-химических параметров каталитической трансформации этанола и изопропанола в ароматические углеводороды. Вестник Тверского государственного университета. Химия. 2024;57(3):76–85. https://doi.org/10.26456/vtchem2024.3.7

20. Кривенко Д.А., Логвинов А.Ю., Ишков А.В. Исследование рабочего процесса автотракторных дизелей Минского моторного завода на режиме максимальной мощности при использовании альтернативного биотоплива. Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2024;233(3):75–84. https://doi.org/10.53083/1996-4277-2024-233-3-75-84

21. Цапенков К.Д., Кураева Ю.Г., Сидорова Е.И., Штырлов А.Е., Зубрилин И.А. Влияние состава топлива на образование сажи в двигателях и энергоустановках. Физика горения и взрыва. 2024;60(4):63–75. https://doi.org/10.15372/FGV2023.9430

22. Лиханов В.А., Лопатин О.П. Исследование сажевыделения в тракторном дизеле, работающем на биотопливе. Тракторы и сельхозмашины. 2024;91(4):375–385. https://doi.org/10.17816/0321-4443-625783

23. Likhanov VA, Kozlov AN, Araslanov MI. Investigation of the Portion Size of Rapeseed Oil for Ethanol Ignition in a Diesel Engine. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2020;548:62053. https://doi.org/10.1088/1755-1315/548/6/062053