Экологические и экономические показатели работы двигателей

Экологические и экономические показатели работы двигателей

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С РАЗНЫМИ УСЛОВИЯМИ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ ПРИ РАБОТЕ НА БИОДИЗЕЛЬНОМ ТОПЛИВЕ

Шапко В.Ф., Черненко С.М., Атамась А.И., Горпинченко А.Ю.

(КНУ имени Михаила Остроградского, г. Кременчуг, Полтавская обл., Украина)

Results of the studies of the diesel engines to ecological factors with miscellaneous condition of mixture’s formation in operation on biodiesel fuel in comparison with standard diesel fuel are led. The explored influence of fat acid and element compositions of biodiesel fuel. The organized comparison of received result with factor of the diesel engine with prepared a camera of combustion.

Одними из важнейших показателей двигателя внутреннего сгорания (ДВС) являются экологические показатели, требования к которым постоянно ужесточаются. Повысить экологические показатели ДВЗ возможно использованием альтернативных топлив.

Использование многих альтернативных видов топлива позволяет снизить вредные выбросы за счет более полного сгорания и некоторых изменений в протекании рабочего процесса ДВС . Особенный интерес вызывают альтернативные топлива, полученные из возобновляемых природных ресурсов.

Одним из таких альтернативных топлив для дизельных двигателей является биодизельное топливо (БТ), которое представляет собой производные растительных масел и жиров животного происхождения. БТ может использоваться без значительных изменений в конструкции двигателя и смешиваться со стандартным дизельным топливом ( ДТ) в любой пропорции.

В результате анализа предыдущих исследований было обнаружено, что в мире широко проводились испытания двигателей работающих на БТ и его смесях с дизельным топливом [1], [2]. Испытания проводились при работе ДВ C на БТ, сырьем для которых были разные масла [2], на двигателях с разделенными и неразделенными камерами сгорания [1], [2].

Данными исследованиями установлено, что во время работы дизельных двигателей на БТ правнению с ДТ наблюдается уменьшение выбросов продуктов неполного сгорания, в частности окиси углерода (СО), углеводородов ( C_nH_m ) и твердых частиц (С). Кроме того, дисперсность частиц сажи, которая образуется во время сгорания БТ более низкая сравнительно с частицами, которые образуются при работе на стандартном ДТ [2]. Что касается выбросов окислов азота ( NO_x ), то в некоторых случаях было зафиксировано их повышение, а некоторых – наоборот, снижение.

Таким образом, не до конца выясненным остается вопрос, какие факторы и каким образом влияют на экологические показатели дизельных двигателей, которые работают на биотопливе. В связи с этим целью данной работы является:

— исследование влияния жирнокислотного и элементного состава биодизельного топлива на формирование экологических показателей дизельного двигателя;

— экспериментальные исследования экологических показателей дизельного двигателя с неразделенной камерой сгорания во время работы на БТ в сравнении со стандартным ДТ;

— сравнение полученных результатов с показателями дизельного двигателя с разделенной камерой сгорания.

Для исследования влияния жирнокислотного и элементного состава биодизельного топлива на формирование экологических показателей дизельного двигателя использовались следующие образцы топлива: метиловые эфиры рапсового масла (МЭРМ), метиловые эфиры соевого масла (МЭСМ) и метиловые эфиры говяжьего жира (МЭГЖ).

Жирнокислотный состав биодизельных топлив определялся путем газожидкостной хроматографии данных образцов.

Основным показателем, который характеризует жирнокислотный состав БТ, есть индекс ненасыщенности ИН [3], который определяется по формуле [2]

,

где – произведение содержания (в % по массе) ненасыщенных жирных кислот и количества двойных связей в каждой кислоте.

Большее значение ИН характеризует высшую реакционную способность топлива через наличие большего количества двойных связей.

Элементный состав топлив определялся по методике, приведенной в работе [4]. Результаты определения элементного состава и индекса ненасыщенности образцов БТ приведены в табл.1.

Таблица 1 – Сравнение состава биодизельных топлив растительного и животного происхождений

Экологические и экономические показатели работы двигателей

Объектом исследований является рабочий процесс дизельного двигателя при работе видах топлива. Целью исследований является определение экономических показателей дизельного двигателя и при работе топливе, биоэтаноле, рапсовом масле видах топлива, создание лабораторного комплекса для проведения исследований занятий возможностей использования альтернативных топлив.

Необходимость реализации данной работы вызвана необходимостью улучшения качества подготовки работников автомобильного профиля, инженеров по специальности 190109.65 «Наземные транспортно-технологические средства» подготовки 190600.62 «Эксплуатация транспортно-технологических машин Такие дисциплины, как «Автомобильные двигатели», «Автомобили» входят часть дисциплин специализации усвоение знаний, умений навыков компетенции выпускниками вуза достигается наиболее эффективно научно-исследовательской работы студентов под руководством учёных –

Повышение качества подготовки специалистов невозможно без проведения практических занятий по указанным дисциплинам. занятиях появляется возможность лучше представить качественные картины происходящих внутреннего сгорания (ДВС) процессов что способствует активизации научно-исследовательской, творческой деятельности студентов. оптимизация эксплуатационных характеристик двигателей внутреннего сгорания, устанавливаемых позволяет улучшить как экономические, экологические показатели, так безопасность. эти показатели зависят системы питания, вида применяемых топлив. Наиболее перспективным направлением является также новых, альтернативных видов топлив для автомобильных двигателей современных ДВС топливам. запланировано расширение лаборатории теории ДВС дополнительным обкаточно-тормозным стендом для испытаний дизелей автомобильные. Методы стендовых испытаний». по своим функциональным возможностям подходящим по цене нагрузочного устройства выбран стенд – автомобильный дизель Д245.12° C-230Д.

Для измерения содержания нормируемых компонентов газах автомобилей двигателями, системами нейтрализации или оснащенных двухкомпонентными (окислительными) системами нейтрализации, применяют двухканальные газоанализаторы, предназначенные для измерения содержания оксида углерода (СО) (СН)

Для двигателей, оснащенных трёхкомпонентными системами нейтрализации, используют четырёхканальные газоанализаторы, предназначенные для измерения содержания СО, СН, диоксида углерода (СО₂) (О₂). Четырехканальные газоанализаторы могут быть также использованы для проведения измерений системами нейтрализации или оснащенных двухкомпонентными системами нейтрализации.

Для измерения содержания СО, СН и СО₂ вотработавших газах применяют газоанализаторы непрерывного действия, принцип действия которых основан спектроскопии, измерения содержания О₂ – электрохимический сенсор.

Помещение для лаборатории испытания дизеля выбрано требований по ограничению шума пунктах. Помещение расположено закрытом боксе учебного корпуса № 3 Чебоксарского политехнического института по адресу: 8.

Лаборатория является подразделением учебно-лабораторной базы автомеханического факультета для проведения научных исследований аспирантами кафедры, проведения лабораторных работ автомобильного факультета, слушателями курсов ДПО подшефных учебных заведений.

Рис. 3.2. Планировка лаборатории:

1 – двигатель Д-245; 2 – двигатель-тормоз; 3 – весы; реостат; 5 – электрощит; приборный шкаф; выпускная система; зона испытания двигателя ВАЗ-21124; 9 – хранилище топлива.

Учебно-научно-исследовательская лаборатория «Испытания двигателей внутреннего сгорания и топлива»

В 2009 г при кафедре «Тракторы и автомобили» создана и аккредитована научно-исследовательская лаборатория «Испытания двигателей внутреннего сгорания и топлива» для проведения научно-исследовательских работ по теме «Использование альтернативных видов топлив на основе рапсового масла, метанола, этанола и биогаза в системах питания энергетических сельскохозяйственных установок». Лаборатория включена в Единый реестр испытательных лабораторий (центров) Таможенного союза.

В 2014 г. связи с окончанием срока действия аттестата аккредитации научно-исследовательская лаборатория «Испытания двигателей внутреннего сгорания и топлива» переведена в разряд учебно-научно-исследовательской без продления действия аттестата аккредитации.

На базе лаборатории проводится научно-исследовательская работа аспирантов, магистрантов и студентов старших курсов факультета механизации сельского хозяйства. Результаты исследований аспиранты, магистранты и студенты докладывают на конференциях, публикуют в сборниках работ и научных изданиях.

Лаборатория оборудована необходимым комплексом контрольно-измерительной и регистрирующей аппаратуры по испытаниям двигателей внутреннего сгорания, включая приборы таких ведущих производителей как «МАНА» Германия (дымомер MDO 2 и газоанализатор MGT 5).

В учебно-научно-исследовательской лаборатории выполняются исследования по следующим направлениям:

• 1 Исследование и внедрение альтернативных видов топлив на основе рапсового масла, метанола, этанола и биогаза в системах питания энергетических сельскохозяйственных установок.
• 2. Исследование и разработка систем улучшения экологических показателей дизельных двигателей внутреннего сгорания.
• 3. Улучшение эксплуатационных показателей колесного трактора путем использования смесевого топлива для силовой установки.
• 4. Улучшение экологических показателей дизельных двигателей применением парового реактора.
• 5. Улучшение экологических показателей тракторного дизеля при работе на биогазе.
• 6. Использование сильных электрических полей в системах ДВС.
• 7. Разработка встроенной системы диагностирования двигателей тракторов и автомобилей.
• 8. Разработка встроенной системы диагностирования двигателей ПО «ММЗ».
• 11. Улучшение экологических показателей дизельного двигателя путем добавления газового топлива.
• 12. Улучшение показателей работы дизельных двигателей автотракторной техники путем двухфазной подачи топлива.

Лаборатория «Испытания двигателей внутреннего сгорания и топлива» предлагает производству комплекс диагностических и испытательных мероприятий для находящихся в эксплуатации двигателей внутреннего сгорания при оценки их мощностных, экономических и экологических параметров.

Приглашаем к сотрудничеству.

213407 г.Горки Могилёвская обл.

ул.Тимирязева 12, корп. 8, ауд. 317, 335

тел./факс (02233) 7-96-90

Экологические и экономические показатели работы двигателей

Для улучшения экономических и экологических показателей двигателей внутреннего сгорания (ДВС) желательно при работе на холостом ходу и малых нагрузках обеспечить работу не всех цилиндров, а нескольких, то есть отключать часть цилиндров. Это позволит поддерживать требуемый температурный режим при минимальном расходе топлива и улучшить его экологические показатели.

Эффективная мощность двигателя, то есть полезно используемая мощность при работе двигателя на внешний потребитель, является функцией ряда параметров [1]:

, (1)

где Nе – эффективная мощность, кВт;

Vл – литраж двигателя, л;

ре – среднее эффективное давление, Па;

п – частота вращения коленчатого вала, мин-1;

z – коэффициент тактности, для двухтактных двигателей – 1, для четырехтактных – 2.

С точки зрения конструктивного исполнения двигателя в формуле (1) интересен литраж. Литраж двигателя обуславливает практически пропорциональное изменение величины заряда, поступающего в цилиндры, что соответственно сказывается на мощности двигателя. Литраж двигателя может быть изменен как за счет размерности цилиндров, так и путем изменения их числа, то есть отключением части цилиндров, в результате можно варьировать мощностью двигателя. В то же время уменьшение числа работающих цилиндров приводит к уменьшению относительной утечки через поршневые кольца.

Уменьшение числа работающих цилиндров, то есть отключение части цилиндров, приведет к снижению теплонапряженности цилиндров двигателя. Теплонапряженность зависит от количества тепла, отводимого в систему охлаждения, которое выражается через теплоту сгоревшего топлива, а также от площади внутренней поверхности цилиндра [1]:

, (2)

где qцил – теплонапряженность цилиндров двигателя, Дж/м2·ч;

Qохл – количество теплоты, отводимое в систему охлаждения, Дж;

F – общая площадь внутренней поверхности цилиндра, м2;

а – доля теплоты, отводимая в систему охлаждения двигателя, а = 0,13 – 0,35;

GT – частой расход топлива, кг/ч;

Qн – теплота сгорания топлива, Дж/кг.

Учитывая зависимость часового расхода топлива от удельного эффективного расхода топлива и эффективной мощности двигателя,

, (3)

где gе – эффективного расхода топлива, г/кВт·ч, получим зависимость теплонапряженности цилиндров двигателя от расхода топлива и мощности двигателя:

. (4)

Таким образом, анализ выражений (1) и (4) показывает, что отключение части цилиндров, изменяя литраж, приводит к понижению теплонапряженности цилиндров двигателя. А из уравнения (3) следует, что в таком случае еще и понижается расход топлива. Понижение расхода топлива в этом случае наблюдается за счет снижения мощности, однако на режимах холостого хода и малых нагрузок снижение эффективной мощности просто необходимо, так как цилиндры двигателя на указанных режимах становятся «недогруженными», в результате удельный расход топлива оказывается в 1,5–5 раза выше, чем на режиме номинальной мощности [4]. Поэтому при эксплуатации двигателя необходимо стремиться к тому, чтобы кривая эффективной мощности всегда располагалась на кривой минимального удельного расхода топлива (рис. 1) [3]. А на режимах холостого хода и малых нагрузок этого можно добиться путем отключения части цилиндров, таким образом «догружая» рабочие цилиндры.

Суть метода повышения эксплуатационной топливной экономичности двигателя на режимах малых нагрузок, холостых и принудительных холостых ходах состоит в том, что на этих режимах подача топлива в часть цилиндров прекращается [5], а оставшиеся включенными автоматически переводятся на работу на более богатых смесях, соответствующих максимумам зависимостей эффективного коэффициента полезного действия от состава смеси. Однако, как уже отмечалось, длительная работа двигателя с отключением одних и тех же цилиндров приводит к снижению теплового состояния отключенных цилиндров, а также к набрасыванию и накоплению в них смазочного материала. Все это может увеличить механические потери и снижать эффективный коэффициент полезного действия двигателя. Кроме того, после приема нагрузки в этих случаях возникает опасность разноса турбонагнетателя, закоксовывания и залегания поршневых колец и т.д. Устранить эти недостатки можно, применив метод чередования через какое-то незначительное время (порядка долей секунды) включенных и выключенных цилиндров.

Рис. 1. Области удельных расходов топлива на внешней характеристике двигателя: – – – – наибольшая мощность двигателя при минимальных удельных расходах топлива; gе – кривые постоянных удельных эффективных расходов топлива; Ne – эффективная мощность; n – частота вращения коленчатого вала

Чередование включенных и выключенных цилиндров может выполняться по методике, изложенной в трудах [2, 6]. Однако, с целью обеспечения возможности отключения цилиндров с учетом уравновешенности двигателя, необходимо эту методику уточнять.

Рассмотрим некоторые алгоритмы отключения цилиндров ДВС на примере шести- и восьмицилиндровых V-образных двигателей, работа которых особенно неэффективна на режимах холостого хода и малых нагрузок.

Для понимания происходящих процессов под рабочим циклом будем понимать четыре периодически повторяющихся процесса: впуск, сжатие, рабочий ход (в случае отключения цилиндра – пропуск рабочего хода), выпуск. При этом рабочий цикл протекает 7200 по углу поворота коленчатого вала (ПКВ).

Под полным рабочим циклом будем понимать совокупность рабочих циклов, за которую в каждом цилиндре произойдет минимальное количество рабочих ходов (включение цилиндра), и в случае отключения, пропусков рабочих ходов и этот цикл окажется замкнутым, то есть будет иметь возможность повторяться бесконечное множество раз.

Алгоритм отключения цилиндров шестицилиндрового V-образного двигателя с порядком работы 1-4-2-5-3-6 для получения 50 % мощности двигателя представлен на рис. 2. Здесь и далее залитые кружки показывают цилиндры, в которых совершается рабочий цикл с рабочим ходом, незалитые кружки показывают отключенные цилиндры, то есть пропуск рабочего хода.

Рис. 2. Алгоритм отключения цилиндров для получения 50 % мощности шестицилиндрового V-образного двигателя: а – отключение цилиндров одного блока; б – отключение цилиндров обоих блоков

Для получения 50 % мощности в шестицилиндровом двигателе необходимо отключить половину цилиндров, то есть три. Здесь алгоритм отключения может быть таким, что отключатся три цилиндра одного блока (рис. 2, а), однако с точки зрения уравновешенности двигателя отключение цилиндров целесообразнее проводить по схеме, представленной на рис. 2, б. В этом алгоритме полный рабочий цикл совершается за два рабочих цикла и составляет 2х720 = 14400 ПКВ. По горизонтальным линиям цилиндров видим, что за полный рабочий цикл каждый цилиндр отключится по одному разу, в этом случае порядок работы цилиндров составит: 1-0-0-5-3-0-0-4-2-0-0-6 («0» – означает отключение цилиндра), то есть в этом порядке работы чередуются попарно включенные и отключенные цилиндры, и цикл получается замкнутым.

С целью изменения мощности двигателя и достижения максимальной экономичности работы двигателя на режимах холостого хода и частичных нагрузок, необходимо изменить алгоритм отключения цилиндров. Такие алгоритмы для шестицилиндрового V-образного двигателя представлены в табл. 1.

Алгоритмы отключения цилиндров шестицилиндрового V-образного двигателя