Введение
Мы проводили экспериментальные исследования одноцилиндрового дизельного двигателя прямого впрыска для изучения эффективности сгорания топлива и выбросов для ряда точек нагрузки в тяжелых условиях эксплуатации.
Для того чтобы совместить преимущества высокой эффективности преобразования топлива дизельных двигателей и преимущества более низких выбросов, метанол или этанол был использован в качестве основного топлива для этого двигателя с впрыском дизельного топлива для инициирования сгорания.
Исходные данные
На одном и том же двигателе использовались две стандартные дизельные системы впрыска топлива :
1)Для спирта
2)Для дизельного топлива.
Давление впрыска спиртового топлива варьировалось до 1500 бар. Результаты сравнивались с традиционной дизельным двигателем с прямым впрыском топлива. В результате версия на спиртовой основе дала сопоставимый или даже более высокий КПД сгорания.
Кроме того, версия на спиртовой основе обеспечивала более низкие выбросы твердых частиц и нитратов.
Мы провели исследования по прямому впрыску двигателя искрового зажигания с использованием метанола вместо бензина в качестве альтернативного топлива. Кроме того, мы использовали концепцию переменного фазового распределения клапанов, а также систему повышения давления на впуске.
В результате получился двигатель на метаноле со средним эффективным тормозным давлением на 1,8 бар выше бензинового варианта на скорости 1650 об/мин.
Было отмечено, что эффект уменьшения габаритов при регулировке усиления выше, чем при регулировке фаз клапана. Далее мы сделали вывод, что двигатель в метаноловом режиме может быть уменьшен примерно на 10,7% за счет повышения давления впуска.
Влияние сжатия во время сжигания топлива
Далее мы провели экспериментальные исследования двигателя зажигания прямого впрыска с использованием метанола в качестве топлива при более высоком коэффициенте сжатия - 27.
Эксперименты проводились путем закачки метанола инжектором при двух уровнях давлениях- 800 бар и 1600 бар. В результате выбросы увеличились с увеличением давления закачки метанола. Были проведены дальнейшие численные исследования с целью выяснения причин увеличения выбросов при повышенном давлении закачки метанола.
Мы пришли к выводу о том, что более высокое давление впрыска изменяет длину проникновения паров топлива, что приводит к изменению времени задержки зажигания. Это отразилось на высокотемпературной зоне цилиндра двигателя с увеличением объема выбросов, производимых двигателем.
Исследования на двигателе с турбонадувом
Мы решили проводить экспериментальные исследования турбонаддувного двигателя зажиганием от свечи, работающего на природном газе и метаноле, для изучения характеристик горения, таких как давление в цилиндре, скорость выделения тепла, массовая доля сгоревшего, сила удара, задержка зажигания, коэффициент выделения тепла и коэффициент изменения указанного среднего эффективного давления при легких нагрузках с использованием 0%, 16%, 34% и 46% метанолового замещения.
В результате фаза горения прогрессировала с увеличением скорости замещения метанола за счет более высокой скорости горения метанола.
Тук произошел с коэффициентом замещения метанола 46% при 2000 об/мин. Когда коэффициент замещения метанола вырос с 0% до 46%, центральный теплообменник отопления сместился с 7,23 до 5,52 градусов. Максимальное давление в цилиндре выросло с 46,1 бар до 53,5 бар, а угол поворота рукоятки соответствует максимальному давлению в цилиндре, аналогично явлению горения при 1200 об/мин, фаза горения увеличивается на 2000 об/мин и в целом.
Кроме того, более короткая задержка зажигания, более высокое внутрицилиндровое давление и большая скорость повышения давления наблюдались при использовании метанола по сравнению с бензиновым режимом.
Тесты с бензином и метанолом
Мы решили добавить эксперименты с бензином на одноцилиндровом двигателе искрового зажигания, оснащенном карбюратором и используемом в качестве генераторной установки.
Затем двигатель был переведен в версию с непосредственным впрыском топлива, и были проведены повторные эксперименты с газообразными продуктами метанола с высоким содержанием водорода.
Результаты показали, что продукты метанола обладают большим потенциалом снижения выбросов загрязняющих веществ по сравнению с бензином.
Выбросы твердых частиц были сведены к нулевому уровню воздействия. Эффективность двигателя прямого впрыска метанола была на 20-70% выше, чем у бензинового двигателя с карбюраторным впрыском.
Было решено провести исследования потенциала выбросов метанола и дизельного топлива на основе карт моделирования и, наконец, экспериментальную проверку двигателя грузовика, работающего в режиме частичного предварительного сгорания при средних нагрузках.
Было установлено, что эксперименты подтвердили достоверность выбросов углекислого газа и нитратов. Однако выбросы были недооценены расчетными методами.
В целом выбросы метанолового топлива были ниже, чем от дизельного топлива. Однако уровни выбросов для метанола и дизельного топлива были одинаковыми.
Применение бензина стандарта Евро 3
Экспериментальные исследования на бензиновом двигателе, оснащенном системой инжекторного впрыска и использующем в качестве топлива бензин стандарта Евро III, показали, что в результате топливо на основе метаноловой смеси может адаптироваться к современным двигателям и транспортным средствам. Кроме того, потребление топлива, выбросы вредных веществ были ниже по сравнению со смесями метанола и чистым бензином.
Исследования на 4х тактном двигателе
Провели численные исследования с метанолом на 4-тактном двигателе прямого впрыска с использованием двух типов поршней при переменном соотношении воздуха и топлива.
Расследование проводилось только в течение закрытого периода цикла. Результаты показали, что при включении водоворота значительно улучшилось перемешивание топлива и воздуха, горение и распространение пламени.
Это привело к увеличению пикового давления в цилиндре, а также к потере тепла через стенки цилиндра. Далее исследования показали неполное сгорание топлива при стехиометрической работе двигателя.
Сравнение эффективности топлива
Затем мы сравнили это с исследованиями двигателя зажигания с турбонаддувом средней мощности, использующего смеси этанола и метанола с бензином с портовой системой впрыска топлива и высокой степенью сжатия.
Использованные спирты были получены из возобновляемого источника биомассы. Результаты показали, что биотопливо является экономически эффективным и обеспечивает эффективную работу двигателя.
Итоги
В итоге было решено на двигателе с использованием метанол-газолинового смешанного топлива для оценки образования выбросов альдегидов.
Экспериментальные исследования проводились с использованием инфракрасного спектрометра. Также экспериментальные результаты показывают, что выбросы формальдегида увеличиваются с увеличением доли метанола в смесях метанол-бензин.
Таким образом:
Модель двигателя играет роль в выборе метанола и бензина.
С точки зрения термодинамического анализа и оптимизации, метанол может успешно использоваться в качестве топлива в двигателях свечным зажиганием.
Мощность и крутящий момент, создаваемые двигателем на метаноле, сопоставимы с мощностью и крутящим моментом, создаваемым в бензиновом режиме.
С точки зрения термодинамики двигатель выглядит более экономичным по сравнению с расходом бензина, чем метанол.
Двигатель производит больше выбросов вредных веществ на метаноле по сравнению с бензином.
Вредные выбросы, производимые двигателем на метаноловом топливе, меньше, чем на бензине.