Исследование рабочих режимов дизельного двигателя на биотопливе

Введение. В краткосрочной и долгосрочной перспективах вопросы устойчивого развития и экологической безопасности в машиностроительной отрасли останутся крайне важными [1]. Например, в рамках программного пакета Европейский совет поставил перед собой задачу снизить выбросы углекислого газа не менее чем на 55 % к 2030 году по сравнению с 1990 годом, а к 2050 году достичь нулевого уровня выбросов CO₂. По последним прогнозам, к 2040 году около 75 % из 1,6 миллиарда легковых автомобилей, находящихся в эксплуатации, будут либо с двигателями внутреннего сгорания (ДВС), либо с ДВС в составе гибридной системы [2]. Гибридные силовые установки, как с высоким, так и с низким уровнем электрификации в сочетании с современными ДВС, действительно могут обеспечить значительные преимущества на различных рынках, включая экологическую сферу [3]. Тем не менее, на сегодняшний день электрификация автотранспорта остается непростой задачей, обусловленной множеством как реальных, так и предполагаемых факторов. К числу этих факторов относятся ограниченный запас хода, нерегулярная инфраструктура зарядки, доступность полностью возобновляемых источников энергии в разных регионах, ограничения по спросу и трудности, связанные с добычей и переработкой редкоземельных и драгоценных металлов [4]. Для малотоннажных грузоперевозок электрификация может рассматриваться как приемлемая альтернатива ДВС, однако она все еще имеет углеродный след [5].

Обсуждаемые выше подходы к экологической безопасности в машиностроительной отрасли органично вписываются только в долгосрочную перспективу. В итоге намечается переход к использованию низкоуглеродного или безуглеродного топлива [6]. Что касается ближайшей перспективы и существующих на данный момент двигателей внутреннего сгорания, работающих на традиционном нефтяном моторном топливе [7], важно обсудить возможность применения альтернативного топлива как с точки зрения экологической безопасности, так и в контексте замещения топлива нефтяного происхождения [8]. Полагаем, что машиностроительная отрасль, являясь одним из основных источников загрязнения атмосферы, требует принципиальных изменений в подходах к использованию топлива [9]. Для реализации структурных изменений, направленных на улучшение экологических параметров в машиностроении, производителям оригинального оборудования и их партнерам стоит рассмотреть возможности технологических прорывов в модернизации существующих ДВС [10] и создании транспортных средств с низкими выбросами [11][12].

С учетом высокой актуальности применения альтернативного топлива в дизельных силовых агрегатах, это обстоятельство заставляет ведущих машиностроителей обдумывать развитие технологий, способствующих применению различных альтернативных топлив в дизельных двигателях (ДД) [13]. Поиск новейших способов и перспективных технологий, направленных на улучшение экологических и энергетических показателей дизельных силовых установок, а также исследование конкуренции различных видов топлива (дизельное топливо, биотопливо, природный газ, спирты, эмульсии и др.) по показателям экологической эффективности может стать значительным шагом к активизации развития и применения альтернативных моторных топлив [14]. Переход к альтернативным топливам, не являющимся продуктами переработки нефти, будет наиболее перспективным направлением в борьбе за улучшение экологических показателей как для ДД, так и для автотранспорта машиностроительной отрасли [15][16].

Наиболее перспективными в плане улучшения экологической безопасности ДД являются спирты и растительные масла [17]. В частности, при рассмотрении спиртов отдают предпочтение этанолу, который соответствует критериям доступности, простоты производства и, что наиболее важно, экологичности при сгорании [18]. С точки зрения авторов, наибольший интерес представляют растительные масла, среди которых лидирует рапсовое масло (РМ), обладающее отличными техническими характеристиками, такими как высокая энергетическая плотность и хорошая текучесть при низких температурах [19].

К настоящему времени было проведено немало актуальных научных работ, направленных на улучшение экологической безопасности ДД с использованием спиртов и растительных масел в качестве моторного топлива [20]. Однако следует отметить, что анализ результатов научных исследований демонстрирует отсутствие достаточных экспериментальных испытаний дизельных силовых установок рабочего объема до 5 л, работающих на этаноле и растительных маслах, проведенных с учетом взаимосвязи экологических и эксплуатационных показателей, а также определения содержания в отработанных газах NO_x, СН_x, CO, CO₂ и сажесодержания (С) [21]. Хотя эти вопросы достаточно широко освещены в литературе в теоретическом ключе с использованием различных современных форм моделирования, исследование данной проблемы лишь с теоретической точки зрения не помогает раскрыть некоторые критически важные аспекты, которые имеют значение для организации рабочего процесса ДД при использовании этанола и растительных масел [22].

Целью данной работы являлось экспериментальное исследование мощностных и экономических показателей, а также параметров процесса сгорания дизельного двигателя с неразделенной полусферической камерой сгорания в поршне, функционирующего на этаноле и рапсовом масле, с установлением зависимостей влияния режимов его работы на указанные показатели и определением их числовых характеристик.

Материалы и методы. Для выполнения поставленной цели были проведены экспериментальные исследования ДД 2Ч 10,5/12,0 при работе на этаноле и РМ. Пуск ДД осуществлялся на РМ, далее включалась подача этанола и замещала РМ до установленного оптимального значения (цикловая подача была на уровне 13 мг/цикл, что соответствовало часовому расходу РМ 1,4 кг/ч). Увеличение рабочего нагрузочного режима обеспечивалось увеличением (регулированием) подачи этанола. Для подачи РМ был установлен дополнительный ТНВД, а подача этанола осуществлялась через штатную систему топливоподачи.

Для индицирования рабочего процесса дизеля использовался датчик давления PS-01, сигнал с датчика поступал на усилитель сигнала AQ05-A.1.001, усиленный сигнал поступал на ПК через аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) ЛА-2 USB. Датчик давления устанавливался во втулке, вмонтированной в головку цилиндра, согласно инструкции. Сигнал от датчика положения коленчатого вала М50 поступал на АЦП без усиления. Полученные данные обрабатывались при помощи специального алгоритма наложения массивов, затем по полученной осредненной индикаторной диаграмме по методике ЦНИДИ-ЦНИИМ, основанной на теории Вибе, определялись показатели процесса сгорания [23].

Результаты исследования. На рис. 1 представлены результаты определения осредненной индикаторной диаграммы при оптимальных установочных углах опережения впрыскивания топлива этанола и РМ, равных 34^о до верхней мертвой точки (ВМТ) [15].

Из научной литературы исследователям хорошо известны ценные качества индикаторной диаграммы. Эта непосредственная запись действительного (индикаторного) давления в зависимости от угла положения коленчатого вала наглядно демонстрирует значение физической величины без необходимости производить какие-либо вычисления. По индикаторной диаграмме легко можно понять динамику протекания рабочего процесса и получить ценные сведения о значениях максимального давления сгорания P_z, периода задержки воспламенения (ПЗВ). Кроме того, индикаторная диаграмма является наглядным представлением динамики самовоспламенения в дизельном двигателе [22]. Таким образом, анализ индикаторных диаграмм, представленных на рис. 2, показывает, что при работе на этаноле и РМ наблюдается увеличение ПЗВ, при этом не отмечается значительного изменения максимального давления в цикле. Поскольку теплотворная способность этанола ниже, чем у ДТ, то необходимо компенсировать эту разницу, увеличив цикловую подачу топлива (рис. 2).

Рассматривая режим номинальной частоты вращения (n = 1 800 мин^-1), отметим, что подача РМ составляла 13 мг за цикл, тогда как подача этанола достигала 52 мг/цикл (рис. 2). На дизельном режиме цикловая подача составила 43 мг/цикл.

При работе на этаноле и РМ увеличение потребления топлива снижает эффективный КПД, особенно на малых частотах вращения, что не может не сказаться на эффективной мощности и приводит к некоторому её снижению (рис. 3 г), а на пиковых значениях мощностные показатели и характеристики процесса сгорания (рис. 4 а) при работе ДД на этаноле и РМ уже превышают значения ДТ.

Анализируя графические зависимости, изображенные на рис. 4, следует отметить, что на небольших частотах вращения работы ДД на этаноле и РМ P_z равняется 8,2 МПа, а при меньшей частоте вращения составляет 6,5 МПа. Значения T_max при этом также снижаются, но остаются выше значений работы ДД на ДТ. По-видимому, этот рост обусловлен более высоким ПЗВ ДД при работе на этаноле и РМ, поскольку за больший период времени смешиваясь с воздухом испаряется большее количество топлива. Это, в свою очередь, приводит к росту интенсивности процессов выделения тепла в кинетической фазе сгорания и увеличению T_max с достижением своих максимальных значений на более поздних углах. Так, при работе ДД на этаноле и РМ горение начинается позже примерно на 4–7 градусов в сравнении с работой на ДТ [15].

На рис. 5 представлены характеристики токсичности отработавших газов (ОГ) ДД на номинальной частоте вращения.

Результаты экспериментальных исследований токсичности ДД показывают, что применение этанола и РМ приводит к снижению в исследуемых режимах концентрации оксидов азота (NO_x), диоксида углерода (СО₂) и сажи (С). На нагрузках выше средних происходит снижение концентрации оксида углерода (СО) и углеводородов (СН_х).

Числовые значения результатов экспериментальных исследований токсичности ДД на номинальном режиме работы сведены в таблицу 1.

Обсуждение и заключение. Анализируя полученные результаты рассмотренных экспериментальных исследований, следует отметить, что показатели процесса сгорания ДД, работающего на этаноле и РМ, отличаются от его штатного, работающего на ДТ. Особенно при использовании этанола и РМ наблюдается увеличение площади зоны влияния (ПЗВ), что не может не оказать значительного влияния на «жесткость» процесса сгорания и приведет к увеличению значений величины P_z. Эти аргументы, по всей видимости, являются основными сдерживающими факторами применения этанола с помощью непосредственного впрыскивания. Одним из возможных решений данной проблемы, предложенным в данной работе, является использование запального (пилотного) РМ, который позволяет корректировать параметры процесса сгорания, управляя величиной подачи запального топлива. При этом стоит пояснить, что величина запального РМ изменялась до определённого значения (указано выше в работе), при котором достигались необходимые характеристики параметров сгорания. После этого величина РМ фиксировалась, а изменение нагрузочных режимов ДД обеспечивалось необходимой подачей этанола. Специалистам понятно, что таким образом решается задача лишь в частном случае. В дальнейшей научной работе необходимо будет внедрить динамическую корректировку как величины запальной порции РМ, так и угла опережения впрыскивания топлива. Это будет способствовать дальнейшей оптимизации системы топливоподачи и организации процесса сгорания в целом. Тем не менее, подводя итог, отметим, что в данной работе решены вопросы улучшения эксплуатационных характеристик ДД за счёт применения биотоплива с установлением характерных зависимостей влияния рабочих режимов на эффективность и определением их числовых значений. Причём эффективность предложенного решения подтверждается полным замещением нефтяного моторного топлива альтернативным (возобновляемым).