Технические характеристики двигателя

Главная  /  Учебник по устройству автомобиля  /  Глава 4. Двигатель » Подраздел 4.4 Основные технические характеристики двигателя

О любом двигателе можно получить представление, зная набор определенных технических параметров.

Диаметр цилиндра. Имеется в виду внутренний диаметр цилиндра. Обычно измеряется в нескольких точках и рассчитывается как среднее арифметическое из полученных данных.

Ход поршня — это расстояние, которое поршень проходит от ВМТ до НМТ. Равняется также удвоенному радиусу кривошипа.

Примечание
Обычно при описании технических характеристик двигателя диаметр цилиндра и ход поршня записываются вместе, через знак «х», например 95 х 85 мм. Если ход поршня превышает диаметр цилиндра, двигатель называют длинноходным, если наоборот – короткоходным.

Рисунок 4.4 Ход поршня.

Радиус кривошипа – это расстояние, на которое шатунная шейка (та, к которой крепится шатун) отведена от оси коренной шейки коленчатого вала, как показано на рисунке 4.

4.

Рабочий объем двигателя – объем пространства, заключенный между ВМТ и НМТ поршня, умноженный на количество цилиндров. Измеряется в сантиметрах кубических (см³) или литрах (л). А объем, который находится над поршнем, когда тот установлен в ВМТ, называется объемом камеры сгорания. Сумма объема камеры сгорания и рабочего объема называется полным объемом. Обычно в характеристиках полный объем не приводится, однако используется для получения такого немаловажного параметра, как степень сжатия.

Степень сжатия – отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. Данный параметр характеризует то, во сколько раз сжимается топливовоздушная смесь в цилиндре. Записывается обычно в виде соотношения, например, 14:1 – в данном случае имеется в виду, что камера сгорания по объему в 14 раз меньше полного объема. Степень сжатия влияет на эффективность и мощность двигателя: чем выше, тем эффективнее, но есть и ограничения, ввиду особенностей используемого топлива (смотрите ниже в разделе «Система питания современных двигателей»).

Примечание
Если двигатель бензиновый, то бесконечно увеличивать степень сжатия нельзя, так как вместе с этим увеличивается вероятность детонации топливовоздушной смеси и, как следствие, происходит выход из строя всего двигателя. Подробнее о детонации будет рассказано ниже.

Рядность – обозначение взаимного расположения цилиндров. Двигатель может быть рядным, V-образным, W-образным.

Рисунок 4.5 Различные варианты взаимного расположения цилиндров.

Порядок работы. Если в двигателе больше двух цилиндров, то для более равномерной и сбалансированной работы агрегата необходимо, чтобы рабочий ход в каждом из цилиндров реализовывался не одновременно, а в определенной последовательности, при этом очередность определяется, в основном, количеством цилиндров.

Примечание
Для ДВС с одинаковым количеством цилиндров может быть несколько вариантов порядка работы.

Так, например, самый распространенный порядок работы четырехцилиндрового двигателя: 1 – 3 – 4 – 2. Такая запись говорит о том, что сначала рабочий ход будет совершать поршень первого цилиндра, затем третьего, четвертого и второго, соответственно.

Для примера опишем работу четырехцилиндрового рядного двигателя.

Рисунок 4.6 Схематическое изображение четырехтактного четырехцилиндрового рядного двигателя.

В четырехтактном четырехцилиндровом рядном двигателе (показан на рисунке 4.6) кривошипы коленчатого вала расположены в одной плоскости: два крайних кривошипа 1-й и 4-й под углом 180° к двум средним — 2-му и 3-му. При вращении вала поршни первого и четвертого, а также второго и третьего цилиндров попарно движутся в одном направлении. Когда поршни первого и четвертого цилиндров приходят в НМТ, поршни второго и третьего цилиндров находятся в ВМТ, и наоборот. В каждом из цилиндров рабочий цикл завершается за два оборота коленчатого вала, а чередование тактов подобрано таким образом, что одновременно во всех цилиндрах происходят разные такты. Этим обеспечивается равномерность вращения вала.

Предположим, что при первом полуобороте вала (от 0 до 180°) в первом цилиндре поршень идет от ВМТ до НМТ и в нем происходит рабочий ход. Тогда в четвертом цилиндре поршень также движется к НМТ, но происходит впуск горючей смеси. Во втором и третьем цилиндрах поршни движутся к ВМТ, при этом в третьем цилиндре идет сжатие рабочей смеси, а во втором — выпуск отработавших газов.

Примечание
Моменты открытия и закрытия клапанов регулируются распределительным валом (подробнее рассмотрено ниже).

В течение дальнейших трех полуоборотов коленчатого вала в каждом из цилиндров такты будут следовать в обычной для четырехтактного процесса очередности.

К тому времени, когда вал закончит четвертый полуоборот, во всех цилиндрах произойдут все такты рабочего цикла. При дальнейшем вращении вала такты будут повторяться в той же последовательности.

При работе четырехтактного четырехцилиндрового двигателя на каждый полуоборот коленчатого вала приходится один рабочий ход, причем рабочие ходы чередуются не в порядке расположения цилиндров, а в другой последовательности. Сначала рабочий ход происходит в первом цилиндре, затем в третьем, далее в четвертом и, наконец, во втором, т. е. рабочие ходы чередуются в порядке 1 — 3 — 4 — 2. Этот порядок чередования рабочих ходов по цилиндрам называется порядком работы двигателя.

Рисунок 4.7 Полуобороты коленчатого вала.

При одной и той же форме расположения кривошипов вала, но при другом порядке открытия и закрытия клапанов, что зависит от конструкции механизма газораспределения, четырехцилиндровый двигатель может иметь другую последовательность чередования тактов и другой порядок работы. Если при первом полуобороте вала в третьем цилиндре будет происходить такт выпуска, а во втором — такт сжатия, то чередование тактов в двигателе изменится, и получится порядок работы 1 — 2 — 4 — 3.

Полуобороты коленчатого вала	Углы поворота коленчатого вала, град	Цилиндры
		1-й	2-й	3-й	4-й
1-й	0 – 180	Рабочий ход	Выпуск	Сжатие	Впуск
2-й	180 – 360	Выпуск	Впуск	Рабочий ход	Сжатие
3-й	360 – 540	Впуск	Сжатие	Выпуск	Рабочий ход
4-й	540 – 720	Сжатие	Рабочий ход	Впуск	Выпуск

Компрессия в цилиндре – максимальное давление, создаваемое в цилиндре при сжатии воздуха поршнем. Зачастую измеряется в барах или кг/см2. Часто степень сжатия путают с компрессией. Однако надо всегда помнить, что степень сжатия — параметр исключительно геометрический, в отличие от компрессии.

Мощность двигателя – работа двигателя, совершаемая в единицу времени, измеряется в лошадиных силах (л. с.) или киловаттах (кВт). Проще говоря, мощность — это параметр, который описывает, как быстро может вращаться коленчатый вал двигателя. Чтобы лучше понять, представьте, что вы велосипедист, а мощность — это характеристика, описывающая, как быстро вы можете крутить педали.

Крутящий момент – произведение силы на плечо. В случае двигателя внутреннего сгорания — это тяга, создаваемая на коленчатом валу, иначе говоря — сила, с которой поршень давит через шатун на шатунную шейку коленчатого вала, умноженная на радиус кривошипа (смотрите выше). Чтобы было понятней, вернемся к велосипедисту. Величина тяги на оси педалей зависит как от длины педали (плеча), так и от силы, с которой велосипедист давит на эту педаль. Измеряется крутящий момент в Ньютон на метр (Н·м).

Подраздел 4.3 Классификации двигателей

Назначение, устройство и типы подвесок автомобиля Автоматическая трансмиссия

Подраздел 4.5 Газораспределительный механизм (ГРМ)

 

Please enable JavaScript to view the comments powered by Disqus. comments powered by Disqus

Ошибка

• Автомобиль — модели, марки
• Устройство автомобиля
• Ремонт и обслуживание
• Тюнинг

• Аксессуары и оборудование
• Компоненты
• Безопасность
• Физика процесса

• Новичкам в помощь
• Приглашение
• Официоз (компании)
• Пригородные маршруты

• Персоны
• Наши люди
• ТЮВ
• Эмблемы

•  
• А
• Б
• В
• Г
• Д
• Е
• Ё
• Ж
• З
• И
• Й
• К
• Л
• М
• Н
• О
• П
• Р
• С
• Т
• У
• Ф
• Х
• Ц
• Ч
• Ш
• Щ
• Ъ
• Ы
• Ь
• Э
• Ю
• Я

Навигация

• Заглавная страница
• Сообщество
• Текущие события
• Свежие правки
• Случайная статья
• Справка

Личные инструменты

• Представиться системе

Инструменты

• Спецстраницы

Пространства имён

• Служебная страница

Просмотры

Перейти к: навигация, поиск

Запрашиваемое название страницы неправильно, пусто, либо неправильно указано межъязыковое или интервики название. Возможно, в названии используются недопустимые символы.

Возврат к странице Заглавная страница.

Если Вы обнаружили ошибку или хотите дополнить статью, выделите ту часть текста статьи, которая нуждается в редакции, и нажмите Ctrl+Enter. Далее следуйте простой инструкции.

Оценка характеристик двигателя внутреннего сгорания

Характеристики двигателя внутреннего сгорания могут сильно отличаться от значений, указанных в его каталоге. Поэтому рекомендуется запрашивать у поставщика более подробную информацию о конкретных объектах, чтобы иметь лучшее представление об ожидаемой производительности оборудования.

Сравнение производительности и эффективности различных машин кажется простой задачей. В конце концов, что может быть сложного в том, чтобы подсчитать разные числа и сказать, какое из них больше? Что ж, не все так просто, когда дело доходит до оценки двигателей.

Эффективность оборудования для выработки электроэнергии зависит от множества факторов, многие из которых зависят от места и области применения. Чтобы усложнить ситуацию, поставщики оборудования часто определяют свои значения эффективности для различных эталонных условий, которые трудно интерпретировать кому-либо, кроме специалистов.


Как возникают различия

Существует множество факторов, влияющих на фактическую производительность оборудования для производства электроэнергии. Наиболее очевидными из них являются условия окружающей среды и качество топлива. Это означает, что фактическая производительность оборудования, установленного на месте и эксплуатируемого в коммерческих целях, будет сильно отличаться от каталожных значений. Эти отклонения, естественно, будут иметь разные характеристики, даже для очень похожего оборудования, в зависимости от конструкции. Это означает, что, скажем, даже если машина А более эффективна, чем машина Б в номинальных условиях, это не обязательно будет так в реальных условиях на месте.

Чтобы усложнить ситуацию, номинальные значения также часто выражаются для различных наборов условий или с различными допущениями, которые могут быть указаны или не указаны явно. Это делает реалистичное сравнение производительности сайта для разных движков сложным и трудоемким.

На определенном этапе неизбежно потребуется получение от поставщика оборудования более полного набора данных, выходящего далеко за рамки одной таблицы, приведенной в каталожном листе. Тем не менее, понимание некоторых общих принципов может облегчить раннюю оценку возможностей оборудования даже при наличии информации из каталога. Здесь мы более подробно рассмотрим эти принципы и их применимость к двигателям внутреннего сгорания.


Окружающие условия




Двигатели внутреннего сгорания относятся к технологиям, наиболее устойчивым к изменениям окружающей среды. Тем не менее, при очень высоких температурах показатели производительности ухудшаются. Как правило, можно предположить, что рабочие параметры будут идентичны или очень близки к номинальным значениям до 30-35°C. Более того, производительность может незначительно ухудшиться как с точки зрения эффективности, так и производительности. Влажность также влияет на производительность. Чем выше относительная влажность, тем ниже температура, при которой работа двигателя начнет ухудшаться. Двигатели также могут быть чувствительны к снижению давления воздуха, связанному с большой высотой.

Обычно каталожные параметры двигателей указаны для условий ISO 3046: температура окружающей среды 25°C, относительная влажность 30% и давление окружающей среды 100 кПа. Это означает, что они репрезентативны для операций в умеренном и прохладном климате, за возможным исключением самых жарких или самых холодных дней. Однако для более экстремальных климатических условий, особенно для очень жарких и влажных случаев, всегда необходимо учитывать снижение номинальных характеристик и снижение эффективности.


Рис. 1. Давление и температура окружающего воздуха могут влиять на мощность двигателя. Обратите внимание, что в случае более высоких температур ухудшение характеристик начинается уже при более низких высотах над уровнем моря. Это показывает, насколько важно использовать полную информацию о состоянии участка. (Щелкните изображение для полного просмотра.)

Нагрузка

Очевидно, что КПД двигателя зависит от его нагрузки. Это особенно важно для установок, которые не должны работать с полной нагрузкой в ​​течение значительного периода времени. К счастью, в случае более крупных электростанций электростанции с двигателями внутреннего сгорания позволяют достичь частичной нагрузки за счет отключения отдельных генераторных установок, в то время как другие поддерживаются как можно ближе к полной нагрузке. Тем не менее, иногда будет необходимо эксплуатировать двигатели на частичных нагрузках из-за других соображений (например, поддержание резерва вращения), и КПД неизбежно снизится. Однако можно отметить, что кривая КПД двигателя обычно намного более пологая, чем у другого оборудования.




Рис. 2. Одной из выдающихся особенностей технологии двигателей внутреннего сгорания является плоская кривая КПД нагрузки. На этой диаграмме показаны такие кривые для десятидвигательной установки, работающей двумя разными способами. Оранжевая кривая представляет управление нагрузкой путем отключения отдельных двигателей при сохранении нагрузки остальных почти на номинальной. Черная кривая представляет ситуацию, когда все двигатели разгружаются вместе, как в случае с установками, которым необходимо поддерживать вращательный резерв. (Нажмите на изображение для полного просмотра.)

Коэффициент мощности

Генератор переменного тока вырабатывает не только активную мощность, но и определенное количество реактивной мощности. Обычно это описывается значением, называемым коэффициентом мощности (или pf). п.ф. представляет собой отношение между активной мощностью и полной мощностью. Наибольшее значение п.ф. равно 1,0 и соответствует чисто резистивной нагрузке. Это также значение, когда генератор и, следовательно, генераторная установка достигают максимальной эффективности. Во многих случаях коэффициент мощности, равный 1,0, используется в качестве точки для определения номинальных параметров, публикуемых в технических паспортах оборудования. С другой стороны, в некоторых других каталожных данных производительность определяется относительно низким значением 0,8, что является типичным конструктивным параметром генератора.

К сожалению, в реальной жизни коэффициент мощности никогда не соответствует этим идеализированным значениям. В большинстве приложений он находится где-то между 0,90 и 0,95. Это означает, что если номинальная эффективность генераторной установки определена при p.f. = 1,0 фактическое значение всегда будет ниже. И, если номинальная стоимость определена при п.ф. = 0,8, то в реальных ситуациях оно будет выше, чем указано на каталожных листах. Здесь очевидно, что если значения для двух разных машин определены для двух разных коэффициентов мощности, они не будут сопоставимы.


Оптимизация выбросов

Как и любая другая технология сжигания топлива, двигатели внутреннего сгорания производят определенное количество загрязняющих веществ. С точки зрения производительности наиболее важной группой загрязняющих веществ являются оксиды азота или NOx.

Образование NOx является неизбежным побочным продуктом процесса сгорания, поэтому его нельзя полностью исключить. Однако есть способы его уменьшить. Фактически, самые последние экологические нормы требуют от нас принятия таких мер. Есть два способа сделать это: первичный и вторичный методы. Первичные методы направлены на предотвращение образования загрязняющих веществ, а вторичные включают очистку выхлопных газов.

Современные двигатели внутреннего сгорания могут использовать как первичные, так и вторичные меры по снижению выбросов NOx. Вторичные методы не влияют на производительность генераторной установки. Первичные имеют, так как оптимизация процесса сгорания для снижения выбросов влечет за собой определенное снижение эффективности.

Обычно каталожные данные для генераторной установки даются для оборудования, оптимизированного для достижения максимальной эффективности и, следовательно, относительно высокого уровня выбросов NOx. Газовые двигатели, как правило, рассчитаны на достижение целевого уровня NOx в 500 мг/м³N, определенного при эталонном содержании кислорода 5%, также иногда называемом уровнем «TA-Luft» по названию немецкого стандарта выбросов 2002 года. К сожалению, этот стандарт уже устарел, и во многих юрисдикциях необходим более строгий контроль выбросов.

Большинство конструкций газовых двигателей могут быть оптимизированы для соответствия более строгим уровням выбросов с помощью первичных методов, обычно вплоть до «½ TA-Luft» или даже ниже, до 200 мг/м³ при 5% O2 (75 мг/м³N при выражении для 15 % уровня кислорода). Это соответствует действующей Директиве ЕС по промышленным выбросам. Такая оптимизация выбросов обычно приводит к снижению эффективности примерно на 1,0–1,5 процентного пункта. Конечно, также можно использовать двигатель с более высоким КПД и СКВ-очистку дымовых газов. Или определенное сочетание обеих мер. Оптимальное решение выбирается на основе технико-экономического анализа конкретного проекта, при котором увеличение стоимости производства, вызванное оптимизацией двигателя, сопоставляется с инвестиционными и эксплуатационными затратами на систему SCR.

Рис. 3 — Снижение мощности газового двигателя из-за более низкой теплотворной способности топливного газа. Следует отметить, что в некоторой степени падение НТГ может быть компенсировано более высоким давлением подачи газа. (Щелкните изображение, чтобы просмотреть его полностью.)

Износ

Как и любое другое оборудование, двигатели внутреннего сгорания подвержены износу, и их характеристики ухудшаются во время эксплуатации. К счастью, это ухудшение в большинстве случаев полностью обратимо при капитальном ремонте, когда двигатели доводятся до номинальных параметров. Здесь важно отметить, что в большинстве конструкций ухудшение влияет только на эффективность, в то время как мощность остается на номинальном уровне. Тем не менее, помните, что средний КПД моторной установки будет несколько ниже номинальных значений, указанных для реальных условий на площадке. Величина этого ухудшения зависит от конструкции двигателя и программы его технического обслуживания.


Свойства топлива

Как правило, двигатели внутреннего сгорания могут работать с топливом различного качества и свойств. Тем не менее, есть ограничения. Некоторые из них являются абсолютными, и в этом случае невозможно или безопасно эксплуатировать двигатель ниже или выше определенного значения. Другие являются условными, что означает, что их превышение разрешено, но может привести к некоторому снижению номинальных характеристик или снижению эффективности двигателя. Типичные случаи включают теплотворную способность или метановое число. Превышение минимума для них приведет к определенному снижению производительности или эффективности.

Поэтому крайне важно проверить, соответствует ли рассматриваемое топливо стандартным спецификациям. В противном случае запросите у поставщика данные о производительности, действительные для конкретного типа топлива.


Допуск

Это самый сложный вопрос, с которым даже многие инженеры могут быть незнакомы. Часто в спецификациях или каталогах среди условий, для которых указываются данные, можно встретить такие утверждения, как «допуск по ISO», «допуск по ISO 3046» или «допуск 5%». Это напрямую связано со стандартом ISO 3046 «Поршневые двигатели внутреннего сгорания — характеристики». Этот стандарт предусматривает, что «если не указано иное, для заявленного удельного расхода топлива при заявленной мощности допускается более высокий расход [топлива] +5%.

Это означает, что если какое-либо значение расхода топлива указано «с допуском ISO 3046», двигатель может фактически иметь расход топлива на 5% выше, и при этом технически соответствовать указанному значению. Кроме того, любая эффективность, заявленная с «допуском ISO», может быть на 5% (примечание: не в процентных пунктах, а в процентах) ниже. Например, генераторная установка с заявленным КПД 48,0 % «с допуском ISO» может фактически достигать только 48,0/1,05 = 45,7 %. На самом деле, более чем вероятно, что он достигнет только такого значения. Исторически этот допуск действительно предусматривался для учета различий между отдельными двигателями, покидающими производственную линию. Однако с современными методами производства эти различия по большей части остались в прошлом. Теперь концепция толерантности, к сожалению, используется для предоставления преувеличенных значений эффективности во многих публикациях. К сожалению, это тоже подводный камень для тех, кто не знаком с особенностями моторного дела. Это также создает угрозу сравнения яблок с апельсинами, когда в одном техпаспорте указан допуск 5%, а в другом нет. Таким образом, всякий раз, когда значение допуска не указано явно, рекомендуется попросить поставщика предоставить явное заявление о допусках как разницу в 5% (то есть примерно 2,0–2,5 процентных пункта, в зависимости от конструкции) далеко не ничтожен.

Рис. 4 — Некоторые более крупные конструкции двигателей, такие как этот Wärtsilä 50SG или другие конструкции Wärtsilä, оснащены масляным и водяным насосами, приводимыми непосредственно от вала двигателя. В некоторых других конструкциях, где насосы питаются от электричества, это приводит к увеличению внутреннего расхода топлива установки.

Полезная мощность и оборудование с приводом от двигателя

В случае технологии двигателей собственное потребление электроэнергии не очень велико. Однако значительные различия могут быть вызваны различными конструкциями. В основном это из-за насосов. Каждому двигателю для работы требуется несколько насосов: обычно это насосы смазочного масла, насосы охлаждающей воды и, если топливо жидкое, топливные насосы. Разница заключается в том, что в некоторых конструкциях двигателей, как правило, в более крупных среднеоборотных двигателях, насосы приводятся в действие механически от вала двигателя. Это означает, что об их потреблении энергии «заботятся» еще до того, как будет выработано электричество. Но для некоторых других двигателей, особенно небольших высокоскоростных конструкций, использующих электрические насосы, это увеличит собственное потребление установки.

Собственное потребление также может зависеть от окружающих условий. Это связано с тем, что на большинстве силовых установок отработанное тепло выбрасывается через радиаторы, приводимые в действие электрическими вентиляторами. У тех вентиляторов, которые обычно являются крупнейшими потребителями электроэнергии на такой установке, скорость вращения регулируется, чтобы обеспечить надлежащее охлаждение охлаждающей воды. Чем горячее окружающий воздух, тем выше требуемый расход воздуха, что также увеличивает потребление электроэнергии. Поскольку фактическое потребление зависит от конкретных условий и конфигурации установки, этот параметр обычно не указывается в каталогах. Поэтому рекомендуется запрашивать ориентировочную стоимость у продавцов.


Заключение

Суть в том, что «номинальные» параметры, взятые прямо из каталога, почти никогда не представляют собой значения, достижимые в реальных условиях объекта, даже если все оборудование новое.

Хотя в некоторых случаях (умеренный климат, работа с полной нагрузкой, отсутствие необходимости оптимизации выбросов в процессе горения) относительно легко преобразовать каталожные параметры в значения, достижимые в условиях объекта, без дополнительных знаний. В других приложениях это невозможно без запроса дополнительной информации у поставщиков.

Это означает, что более высокая эффективность по каталогу для определенного типа двигателя не обязательно означает, что эффективность конструкции на площадке будет выше, чем у его конкурентов, даже если параметры по каталогу выражены для идентичных условий.

В конце концов, производительность должна быть определена для конкретных условий эксплуатации. Поэтому рекомендуется запрашивать дополнительные данные на этапе технико-экономического обоснования электростанции. Это позволит убедиться, что ожидаемая производительность оборудования является реалистичной для рассматриваемой площадки.


Отказ от ответственности

Все значения, приведенные в этой статье, особенно на диаграммах, предназначены только для иллюстрации определенных явлений. Они не представляют какой-либо конкретный продукт или дизайн.

Характеристики двигателя и характеристики сгорания двигателя с воспламенением от сжатия с непосредственным впрыском топлива, работающего на отработанном растительном масле синтетическое дизельное топливо

Введение

Дизельные двигатели используются на транспорте, электростанциях, в строительстве, сельском хозяйстве и промышленности; следовательно, это привело к увеличению спроса на дизельное топливо на нефтяной основе (Boggavarapu and Ravikrishna 2013), в то время как запасы ископаемого топлива в мире ограничены. Кроме того, проблемы загрязнения воздуха и глобального потепления становятся еще более острыми, чем когда-либо. Ученые всего мира усердно работают над поиском возобновляемых, углеродно-нейтральных и экологически чистых видов топлива для замены дизельного топлива на нефтяной основе. Как показано в предыдущих отчетах (Раджасекар и др., 2010 г.; Алтин и др., 2001 г.; Фукуда и др., 2001 г.; Саин и Чанакчи, 2009 г.).; Хан и др. 2010 г.; Каннан и др. 2011 г.; Макор и др. 2011), биодизельное топливо, обогащенное кислородом, биоразлагаемое, нетоксичное и экологически чистое топливо, рассматривается как многообещающая альтернатива традиционному дизельному топливу.

Биодизель, полученный из различных ресурсов, таких как рапс, соя, хлопковое масло, пальмовое масло, масло жожоба, подсолнечник, использовался в двигателях внутреннего сгорания без существенных модификаций, как сообщают Muralidharan and Vasudevan (2011). Сараванан и др. (2010) также исследовали характеристики сгорания в двигателе с воспламенением от сжатия для тяжелого коммерческого автомобиля, работающего на сыром метиловом эфире масла рисовых отрубей (CRBME). Следовательно, при сравнении КРБМЭ с дизельным топливом установлено, что период задержки был короче примерно на 15 %, пиковое давление несколько ниже, максимальная скорость тепловыделения и термотормозная эффективность ниже на 34 % и 8 % соответственно; при этом удельное энергопотребление тормозов (BSEC) было примерно на 18% выше. Ци и др. (2009 г.) проверенное биодизельное топливо, произведенное из сырого соевого масла на одноцилиндровом дизельном двигателе без наддува и прямого впрыска. Они заметили, что пиковое давление в цилиндре биодизеля было выше при более низких нагрузках двигателя и одинаково при более высоких нагрузках двигателя, а сгорание начиналось раньше при всех нагрузках двигателя. Они также показали, что выходная мощность биодизельного двигателя была почти такой же, как у дизельного двигателя на малой скорости при полной нагрузке. Почти во всех диапазонах частоты вращения двигателя ОЧЭС биодизеля была ближе, чем у дизельного топлива. В другом исследовании Huang et al. (2010) исследовали два различных биодизеля, произведенных из фисташки и ятрофы, чтобы сравнить характеристики производительности и выбросов при использовании их в дизельном двигателе. Они обнаружили, что выбросы выхлопных газов можно уменьшить за счет использования биодизеля. Действительно, выбросы окиси углерода (CO) и углеводородов (HC) были снижены при высоких нагрузках двигателя. Кроме того, оксиды азота (NO _x ), а выбросы дыма также значительно сократились при различных нагрузках двигателя. Кроме того, производительность двигателя и выбросы при использовании фисташки были очень похожи на показатели при использовании биодизеля из ятрофы.

По сравнению с дизельным топливом на нефтяной основе, высокая стоимость и большая часть биодизельного топлива, производимого из пищевых масел, таких как рапсовое масло, подсолнечное масло и пальмовое масло, являются основными препятствиями для коммерциализации. Приблизительно 70–80 % общей стоимости производства биодизеля приходится на стоимость сырья (Meng et al. 2008). Более того, использование этих масел вызовет конкуренцию сельскохозяйственных угодий за продукты питания и топливо, что приведет к инфляции цен на нефть и продукты питания (Huang et al. 2010). Поэтому ожидается, что использование дешевого несъедобного сырья, такого как отработанное кулинарное масло, будет конкурентоспособным по цене с нефтяным дизельным топливом и обеспечит продовольственную безопасность во всем мире. Кроме того, использование отработанного растительного масла в качестве моторного топлива также способствует уменьшению экологических проблем, связанных с процессом утилизации отработанного масла.

В своем эксперименте с отходами пальмового масла (WPOME) и метиловыми эфирами масла канолы (COME) Necati et al. (2009) заметили, что максимальный крутящий момент двигателя немного снизился. В то же время BSFC увеличился по сравнению с дизельным топливом на нефтяной основе (PBDF). Максимальные тормозные моменты для PBDF, WPOME и COME при 1500 об/мин, соответствующие условиям полной нагрузки, составляли 328,69, 320,24 и 319,80 Н·м соответственно. BSFC WPOME и COME увеличились на 7,48% и 6,18%, а эффективность термоторможения снизилась на 1,42% и 0,12% соответственно. В другом исследовании Муралидхаран и Васудеван (2011) изучали влияние степени сжатия на характеристики двигателя с переменной степенью сжатия, использующего метиловые эфиры отработанного кулинарного масла и дизельных смесей. В результате эффективность термического торможения для B40 значительно улучшилась при степени сжатия 21 по сравнению со стандартным дизельным двигателем. Удельный расход топлива смеси В40 при степени сжатия 21 составил 0,259.кг/кВтч, тогда как для стандартного дизельного топлива она составляла 0,314 кг/кВтч.

Несмотря на то, что было проведено много исследований, как указано выше, в отношении возможности использования отработанного масла для жарки в двигателях с воспламенением от сжатия, в этих исследованиях использовалось биодизельное топливо, полученное из отработанного масла для жарки во время реакции переэтерификации, которое непосредственно отработанное масло для жарки использовалось в качестве топлива для двигателя. Кроме того, эти исследования сосредоточены только на испытаниях в некоторых точках работы двигателя, таких как скоростные характеристики при полной нагрузке или нагрузочные характеристики при номинальной частоте вращения двигателя. По этим причинам целью настоящего исследования является получение биодизеля из отработанного растительного масла и исследование характеристик двигателя с воспламенением от сжатия и характеристик его сгорания, работающих на синтетическом дизельном топливе из отработанного растительного масла (WCOSD), соответствующих всем основным рабочим параметрам двигателя.

Процесс каталитического крекинга отработанного кулинарного масла

Отработанное кулинарное масло (WCO) было собрано в местных ресторанах города Ханой во Вьетнаме. Каталитический крекинг проводили при 450 °C в однолитровом реакторе периодического действия с закругленным дном в присутствии 5 % масс. катализатора MgO, как показано на рис. 1. Для каждого эксперимента 500 г образца и 25 г MgO помещают в реактор. Температуру реактора постепенно повышали до 450 °C с помощью электропечи при скорости нагрева 10 °C/мин и поддерживали в изотермических условиях до прекращения образования паров. Мы используем источник переменного тока (220 В и 4 А) для питания электропечи. Потребовалось 40 мин, чтобы достичь рабочей температуры 450 °C, а затем эту температуру постоянно контролируют, включая и выключая источник электропитания. Мы получили первый литр биодизеля через 40 мин, а затем потребовалось 40 мин, чтобы получить еще один литр биодизеля. Средняя стоимость электроэнергии для производства 1 л биодизеля составляет примерно четверть цены дизельного топлива на рынке. Кроме того, использование отработанного масла для жарки в качестве сырья снизит затраты на утилизацию отработанного масла для жарки. Пару давали пройти через конденсатор для сбора WCOSD в жидкой фазе.

Рис. 1

Принципиальная схема системы крекинга WCO

Изображение полного размера

В нашем производственном процессе катализатор добавлялся в реактор только после того, как температура реактора достигла рабочей температуры 450 °C. Клапан, соединяющий реактор и конденсатор, открывают через 20 мин после добавления катализатора в реактор. Поэтому температуру каталитического крекинга всегда контролируют на уровне примерно 450 °С. Продукты крекинга состоят из лигроина (примерно 2,9%), керосин (около 8,7 %), дизельное топливо (67 % в том числе) и остаток (21,4 %). Для производства 1 л биодизеля требовалось примерно 1,5 л отработанного растительного масла. Мы повторили производственный процесс пять раз и заметили, что выход и состав продукта крекинга были достаточно стабильными, поскольку исходные материалы были одинаковыми. Одним из недостатков использования неподвижного слоя катализатора является то, что может потребоваться довольно частая замена катализатора, поскольку побочные продукты могут загрязнять поверхность неподвижного слоя, что приводит к уменьшению площади контакта между парами и катализатором и влияет на качество продукта. биодизель. Кроме того, замена катализатора, закрепленного в нагретом слое, может оказаться более сложной задачей, а цены на продукцию могут возрасти из-за затрат на подготовку слоев катализатора. Катализатор смешивали с сырьем в реакторе таким образом, чтобы влияние катализатора на реакции крекинга оставалось стабильным. Более того, замена катализатора была чистой, так как катализатор выводился вместе с побочными продуктами. В нашем эксперименте мы подготовили 20 л биодизеля для всех испытаний, испытаний производительности и испытаний свойств топлива. Несмотря на то, что объем реактора составляет примерно 1 л, наш производственный процесс является непрерывным. Когда биодизель вынимали из конденсатора, в реактор одновременно добавляли сырье и катализатор.

Топливные свойства продуктов WCOSD оценивались по сравнению с обычным дизельным топливом с использованием методов ASTM. Охарактеризованы цетановое число, плотность, кинематическая вязкость, температура вспышки, углеродный остаток, зольность, сера и теплота сгорания ВКОСД. Цетановое число определяли путем сравнения его характеристик сгорания в испытательном двигателе с характеристиками смесей эталонных топлив с известным цетановым числом в стандартных условиях эксплуатации (ASTM D-613). Для измерения образца использовали цифровой анализатор плотности при температуре 25 °C (ASTM D-4052). Кинематическая вязкость определялась с использованием вискозиметра с U-образной трубкой (ASTM D-445). Температуру воспламенения WCOSD определяли путем заполнения испытательного тигля WCOSD до метки наполнения внутри испытательного тигля, и зажженное испытательное пламя пропускали по окружности тигля (ASTM D-9).2). Теплотворную способность образцов определяли с помощью бомбового калориметра (ASTM D-240). Углеродный остаток рассчитывали по количеству углеродистого остатка, оставшегося после выпаривания и пиролиза образца (ASTM D-189). Зола рассчитывалась путем поджигания и сжигания образцов до тех пор, пока не останется только зола и углерод (ASTM D-482). Содержание серы определяли с помощью энергодисперсионного рентгенофлуоресцентного анализатора (ASTM D-4294).

Испытательное оборудование, экспериментальная установка и процедура испытаний

Тестовые виды топлива и двигатель, использованные в эксперименте

В этом исследовании было использовано синтетическое дизельное топливо из отработанного масла для жарки, успешно полученное в ходе этого исследования, и было проведено сравнение с обычным дизельным топливом, когда оно использовалось для работы на двигателе внутреннего сгорания. Физические и химические свойства топлив WCOSD и CD представлены в таблице 1. Испытуемый двигатель представляет собой четырехтактный одноцилиндровый дизельный двигатель с водяным охлаждением без наддува и непосредственным впрыском топлива.

Таблица 1. Физико-химические свойства испытанных топлив

Полноразмерный стол

Испытательная установка и процедура эксперимента

На рисунке 2 показана принципиальная схема испытательного стенда двигателя, включая испытательный двигатель, динамометр шасси, устройство для анализа выхлопных газов, блок управления, устройство расхода топлива, прибор для измерения расхода воздуха и датчик температуры. датчики. Для определения удельных оборотов двигателя были проведены эксперименты с одноцилиндровым дизелем, соответствующие различным оборотам двигателя. В эксперименте двигатель был соединен с регенеративным динамометром мощностью 40 кВт. Давление в цилиндрах регистрировалось с помощью высокоскоростной системы сбора данных, включающей два высокоточных пьезоэлектрических преобразователя давления, датчик угла поворота коленчатого вала и устройство анализа сгорания. Устройство расхода топлива определяло расход топлива, подаваемого на испытательный двигатель. Для измерения расхода воздуха на впускном коллекторе опытного двигателя был установлен расходомер воздуха. Кроме того, шесть различных цифровых термопар были настроены для измерения температуры выхлопных газов, моторного масла, охлаждающей жидкости на входе и выходе, топлива и воздуха на входе. Кроме того, регистрировались температура окружающей среды, плотность воздуха и относительная влажность. Для управления двигателем и динамометром использовалась система управления; следовательно, он собирал сигналы от измерительного оборудования и отображал результаты измерений. Выбросы выхлопных газов испытаний, в том числе СО, СО ₂ , Углеводород (HC), O ₂ и NO _x были измерены с помощью анализатора выхлопных газов, изготовленного для измерения выбросов двигателей внутреннего сгорания. Характеристики измерительных приборов и газоанализаторов представлены в таблице 2.

Рис. 2

Принципиальная схема стенда двигателя и готового стенда двигателя в эксперименте

Изображение в натуральную величину

Таблица 2 Точность измерительных приборов и газоанализаторы

Полный размер таблицы

Результаты и обсуждения

Сравнение свойств WCOSD и дизельного топлива

Свойства WCOSD показаны в Таблице 3 и сравниваются со стандартной спецификацией Euro V для дизельного топлива. Цетановое число ВКОСД было несколько ниже, чем у дизельного топлива из-за содержания ненасыщенных компонентов; которые могут препятствовать сгоранию топлива в двигателе. Еще одним недостатком была низкая теплотворная способность WCOSD из-за высокого содержания оксигенатных соединений (Wako et al. 2018), что хуже сказывалось на работе двигателя. Вязкость биодизеля была несколько выше, чем у дизельного топлива, что приводило к худшему распылению в двигателе и, вероятно, к снижению полноты сгорания из-за образования нагара, загрязняющего камеру сгорания. Однако WCOSD имел некоторые преимущества, такие как полное отсутствие серы, отсутствие зольности и углеродистого остатка по сравнению с дизельным топливом. Установлено, что ВКОСД по своим свойствам ближе к обычному дизельному топливу; следовательно, обычное дизельное топливо использовалось в качестве топлива для сравнения при проверке характеристик двигателя.

Таблица 3 Характеристики топлива WCOSD по сравнению со стандартными спецификациями дизельного топлива EN 590:2009

Полноразмерная таблица

Сравнение характеристик двигателя

На рисунке 3a показано сравнение характеристик двигателя при различных оборотах двигателя и условиях полной нагрузки когда WCOSD и CD использовались в качестве тестовых топлив. В целом, работа двигателя была полностью стабильной в диапазоне оборотов двигателя от 1400 до 2100 об/мин. Действительно, при использовании в качестве топлива КД тормозные мощности при рабочих оборотах двигателя 1400 об/мин и 1700 об/мин составили соответственно 2,90%, что на 2,43% выше, чем у WCOSD. Также топливные характеристики тестового двигателя в случае использования WCOSD были выше, чем в случае использования CD, как показано на рис. 3b, что, вероятно, связано с более низкой теплотворной способностью WCOSD, как показано в таблице 1. Кроме того, плотность и кинематическая вязкость дизельного топлива были выше, чем у WCOSD, что также способствовало снижению мощности двигателя из-за увеличения потерь на трение. Однако, как показано на рис. 3а, на высокой скорости мощность двигателя в случае использования WCOSD была несколько выше, чем у CD, что было обусловлено влиянием вязкости. Поскольку вязкость WCOSD была меньше, чем вязкость CD, смесь WCOSD и воздуха стала более выгодной по сравнению с CD, особенно в случае высоких оборотов двигателя, поскольку продолжительность смесеобразования была ограничена.

Рис. 3

Сравнение характеристик двигателя a мощность двигателя и b расход топлива

Изображение в натуральную величину

На рис. , 1700 и 2100 об/мин и крутящий момент двигателя в диапазоне от 0 до 50 Н·м при работе тестового двигателя на WCOSD и CD. Результаты показали, что BSFC WCOSD всегда был выше, чем у CD в каждой точке работы двигателя. При одинаковых условиях эксплуатации наибольшая разница в BSFC между двумя видами топлива составляет 19% в рабочей точке при частоте вращения двигателя 1700 об/мин и нагрузке 25%. Между тем, BSFC двух видов топлива был одинаковым при 75% от максимального крутящего момента. Эта тенденция аналогична тем, которые были сделаны Meng et al. (2008), Necati et al. (2009), Hirkude and Padalkar (2012), Zhu et al. (2011), Ди и соавт. (2009) и Necati and Canakci (2010), исследующих два типа биодизеля, полученного из отходов пальмового масла и масла канолы. Чтобы поддерживать ту же выходную мощность, следует подавать большее количество WCOSD, как это было предложено Муралидхараном и Васудеваном (2011 г.), Буюккая (2010 г.), Хиркуде и Падалкаром (2012 г.), Чжу и др. (2011) и Di et al. (2009 г. ) из-за более низкой теплотворной способности WCOSD по сравнению с CD.

Fig. 4

Brake specific consumption of the test engine fueled CD and WOCSD at a 1400 rpm, b 1700 rpm, c 2100 rpm, and d full load

Full size image

Меньшая выходная мощность и более высокий расход топлива WCOSD привели к более низкой тепловой эффективности тормозов (BTE) по сравнению с CD при всех режимах работы двигателя, как показано на рис. 5. Например, при тех же условиях работы 1400 об/мин. и 70 % режима нагрузки, BTE двигателя, работающего на CD, достигла максимального значения 38,3 %, тогда как двигатель, работающий на WCOSD, составил 36,6 %. Примечательно, что в рабочей точке 1400 об/мин и 25 % нагрузки разница в BTE между WCOSD и CD составляла примерно 21 %. Вторая причина этих результатов может быть объяснена более высокой вязкостью и низкой летучестью WCOSD, что приводит к более плохим характеристикам распыления и сгорания, как описано в результатах, сделанных Hirkude and Padalkar (2012) и Necati and Canakci (2010).

Fig. 5

Brake thermal efficiency of the test engine fueled CD and WOCSD at a 1400 rpm, b 1700 rpm, c 2100 rpm and d full load

Full size image

Comparison характеристик сгорания

Характеристики сгорания WCOSD и CD в этом исследовании были исследованы на основе значений давления в цилиндре и задержки воспламенения. Для анализа процесса сгорания были измерены и проанализированы данные о давлении в цилиндрах и давлении в топливной магистрали за 200 циклов с разрешением 0,4° по углу поворота коленчатого вала. На рисунке 6а показано изменение давления в цилиндрах в зависимости от угла поворота коленчатого вала, когда тестовый двигатель работал на топливе CD и WCOSD при скорости 1400 и различных нагрузках двигателя 11, 23 и 35 Н·м. Наблюдаемые пики давления в цилиндрах двигателя, работающего с WCOSD, были ниже, чем у CD, на 0,43, 0,32 и 0,74 бар при 11, 23 и 35 Н·м соответственно. Однако давление в цилиндрах было примерно одинаковым в областях, удаленных от верхней мертвой точки. Более низкие пики давления в цилиндрах могут быть результатом неправильного смешивания WCOSD с воздухом при низкой температуре двигателя из-за его характеристик.

Рис. 6

Изменение давления в цилиндрах опытного двигателя, работающего на CD и WOCSD, при a 1400 об/мин, b 1700 об/мин, c 2100 об/мин и

1 d

задержка зажигания при различных условиях работы

Изображение полного размера

На рисунке 6d сравнивается задержка воспламенения, которая определяется как интервал времени между началом впрыска и началом сгорания, для испытательного двигателя, работающего на WCOSD и CD, при различных условиях работы. Видно, что воспламенение ВКОСД началось раньше, чем КД, на от 0,4 до 0,8°С. Раннее начало воспламенения WCOSD обусловлено физическими свойствами WCOSD (Tesfa et al. 2013). Кроме того, задержка воспламенения для WCOSD была короче, чем для CD при низкой и средней нагрузке, тогда как при высоких нагрузках был обнаружен противоположный результат, как показано на рис.  6d.

Сострадание по выбросам выхлопных газов

Сравнение выбросов угарного газа

На рисунке 7 показаны экспериментальные результаты выбросов угарного газа (CO) от испытательного двигателя, работающего на двигателях WCOSD и CD. Можно видеть, что тенденции выбросов CO от двигателя, работающего на двух видах топлива, были похожи друг на друга. Выбросы CO были низкими при низких и средних нагрузках и высокими при полных нагрузках. Основная причина этого явления заключается в том, что смеси при полной нагрузке были более обильными, чем при низкой и средней нагрузке, что приводило к недостатку кислорода в процессе сгорания в условиях полной нагрузки. В условиях полной нагрузки выбросы CO двигателя, работающего на CD, были выше, чем на WCOSD, на 34,85% выше при 1400 об/мин и на 58,33 % выше при 1700 об/мин. Однако при высоких оборотах двигателя тенденция была противоположной. При 2100 об/мин, когда тестовый двигатель работал на CD, выбросы CO составляли 45,9.% ниже, чем при использовании WCOSD.

Рис. 7

Выбросы угарного газа тестового двигателя, работающего на CD и WOCSD при a 1400 об/мин, 1700 об/мин, 2100 об/мин и b при полной нагрузке

Полный размер 2 На рисунке 8 показано изменение выбросов оксидов азота (NO _x ) в зависимости от частоты вращения двигателя и нагрузки. При тех же рабочих условиях выбросы NO _x , производимые WCOSD, были выше по сравнению с CD. Самый высокий № 9Выбросы 0125 x , произведенные WCOSD, составили 1165, 1140 и 846 при 1400, 1700 и 2100 об/мин соответственно, тогда как у CD были соответственно 1150, 1023 и 833 частей на миллион. Более высокий выброс NO _x тестового двигателя в случае использования WCOSD может быть результатом обеспечения содержания кислорода в WCOSD, что, вероятно, способствовало образованию NO _x . Другим фактором, вызвавшим увеличение выбросов NO _x , является более высокая пиковая температура во время сгорания для WCOSD по сравнению с дизельным топливом.

Рис. 8

NO _x Выбросы тестового двигателя, заправленного CD и WOCSD при A 1400 об / мин, 1700 об / мин, 2100 об / мин. Выбросы

Выбросы углеводородов (HC) испытательного двигателя, работающего как на WCOSD, так и на CD, оказались очень низкими при всех режимах работы двигателя. Изменения выбросов УВ между двумя типами топлива при 12 рабочих условиях, протестированных в этом исследовании, показаны на рис. 9.. Видно, что в большинстве условий эксплуатации выбросы УВ тестовых двигателей, работающих на WCOSD, были ниже, чем у CD. Выбросы УВ двигателя, работающего на ВКОСД, снизились в среднем на 26,3 % по сравнению с двигателем, работающим на КД. Исходя из этих результатов, мы можем сделать вывод, что использование WCOSD в целом приводило к снижению выбросов УВ благодаря более чистому сгоранию. Кроме того, в условиях полной нагрузки, когда частота вращения двигателя увеличивается с 1400 до 2100 об/мин, выброс УВ двигателя, работающего на двух видах топлива, значительно снижается за счет более высоких температур, приводящих к лучшему распылению и испаряемости.

Рис. 9

Выбросы углеводородов тестового двигателя на CD и WOCSD при a 1400 об/мин, 1700 об/мин, 2100 об/мин и b при полной нагрузке представлены результаты экспериментов по дымовыделению испытательного двигателя, работающего на двигателях WCOSD и CD. Тенденции выброса черного дыма из двигателя, работающего на обоих испытуемых видах топлива, были схожими. Выбросы дыма были низкими при низких и средних нагрузках и высокими при полных нагрузках. Основная причина этого явления заключается в том, что смеси при полной нагрузке были значительно богаче, чем при низкой и средней нагрузке, что приводило к недостатку кислорода в процессе сгорания при работе двигателя в режиме полной нагрузки. Кроме того, также можно обнаружить, что среднее количество выбросов черного дыма при работе двигателя на WCOSD было на 17% ниже, чем на CD. В условиях полной нагрузки с обоими видами топлива выбросы дыма из двигателя соответственно увеличивали скорость, как показано на рис.  10b. Это явление можно объяснить тем, что при увеличении оборотов двигателя сокращались сроки процессов испарения и смешения топлива, что снижало качество сгорания.

Рис. 10

Дымообразование испытательного двигателя на топливе CD и WOCSD при а 1400 об/мин, 1700 об/мин, 2100 об/мин и б при полной загрузке растительное масло синтетическое дизельное топливо из отработанного кулинарного масла было получено путем каталитического крекинга в реакторе периодического действия с использованием MgO в качестве катализатора и использовано в качестве исследуемого топлива. Двигатель заправлен WCOSD и CD для сравнения характеристик двигателя, включая мощность двигателя, расход топлива, процесс сгорания и выбросы. Результаты показали, что полученный биодизель по своим качествам пригоден для работы на дизельных двигателях. Хотя мощность моторного торможения ВКОСД несколько снижалась при малых и средних оборотах двигателя из-за меньшей его теплоты сгорания, она несколько возрастала при высоких оборотах двигателя, так как низкая вязкость ВКОСД усиливала образование воздушно-топливной смеси в камере сгорания.