Инженерные технологии и системы - 03. Лиханов В. А., Лопатин О. П. Применение рапсового масла и этанола в дизельном двигателе

УДК 621.436

DOI: 10.15507/2658-4123.032.202203.373-389

Применение рапсового масла и этанола в дизельном двигателе

Лиханов Виталий Анатольевич
заведующий кафедрой тепловых двигателей автомобилей и тракторов Вятского государственного агротехнологического университета (610017, Российская Федерация, г. Киров, Октябрьский пр-т, д. 133), доктор технических наук, профессор, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-3033-7176, Researcher ID: AGN-7347-2022, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Лопатин Олег Петрович
профессор кафедры тепловых двигателей автомобилей и тракторов Вятского государственного агротехнологического университета (610017, Российская Федерация, г. Киров, Октябрьский пр-т, д. 133), доктор технических наук, доцент, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-0806-6878, Researcher ID: AAD-8374-2019, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Аннотация
Введение. Альтернативные топлива в двигателях внутреннего сгорания позволяют не только снизить вредное воздействие отработавших газов на окружающую среду без применения дорогостоящих систем очистки, но и диверсифицировать рынок топлива, сокращая потребление невозобновляемых источников энергии, а научные исследования, направленные на применение альтернативных топлив, позволяют выявить наиболее оптимальные варианты замены невозобновляемому сырью. Цель исследования – изучить, как добавление этанола в штатный тракторный дизель с объемным смесеобразованием и сгоранием от факела запального рапсового масла влияет на работу двигателя, а также оптимизировать раздельные цикловые подачи для получения максимального энергетического и экологического эффекта.
Материалы и методы. Статья посвящена описанию результатов применения рапсового масла и этанола в серийном тракторном дизеле размерности 2Ч 10,5/12,0 с организацией раздельного впрыска топлива непосредственно в камеру сгорания. В ходе экспериментальных исследований проведены индицирование рабочего процесса, измерения расхода топлива и потребления воздуха, отбор проб отработавших газов для исследования состава газа и определения содержания токсичных компонентов и дымности.
Результаты исследования. Определена точная цикловая подача этанола и рапсового масла, получены величины среднего эффективного давления, осредненной температуры газов в цилиндре, активного и полного тепловыделения. Показано, что с увеличением цикловой подачи этанола доля тепла от кинетического сгорания возрастает, а для дизельного процесса характерна обратная тенденция – увеличение доли диффузионного сгорания с ростом нагрузки. Проведен анализ внутрицилиндровых процессов при работе на этаноле и рапсовом масле в сопоставлении с традиционным дизельным процессом.
Обсуждение и заключение. Применение рапсового масла и этанола способно полностью заместить традиционное топливо нефтяного происхождения для действующего дизельного двигателя путем установки дополнительного топливного оборудования и модификации головки блока цилиндров (монтаж дополнительной форсунки). При этом существенно улучшаются экологические показатели работы дизеля.

Ключевые слова: дизельный двигатель, этанол, рапсовое масло, сгорание, тепловыделение, токсичность, отработавшие газы

Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Для цитирования: Лиханов В. А., Лопатин О. П. Применение рапсового масла и этанола в дизельном двигателе // Инженерные технологии и системы. 2022. Т. 32, № 3. С. 373–389. doi: https://doi.org/10.15507/2658-4123.032.202203.373-389

Заявленный вклад соавторов:
В. А. Лиханов – научное руководство, анализ и доработка текста.
О. П. Лопатин – формирование структуры статьи, анализ литературных данных, описание методов и способов снижения дымности, редактирование текста, составление выводов и заключения.

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.

Поступила 05.04.2022; одобрена после рецензирования 16.05.2022;
принята к публикации 01.06.2022

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Lung Function and Self-Rated Symptoms in Healthy Volunteers after Exposure to Hydrotreated Vegetable Oil (HVO) Exhaust with and without Particles [Электронный ресурс] / L. Green [et al.] // Particle and Fibre Toxicology. 2022. Vol. 19, Issue 9. doi: https://doi.org/10.1186/s12989-021-00446-7

2. Physicochemical and Cell Toxicity Properties of Particulate Matter (PM) from a Diesel Vehicle Failed with Diesel, Spent Coffee Ground Biodiesel, and Ethanol [Электронный ресурс] / P. K. Wong [et al.] // Science of the Total Environment. 2022. Vol. 824. doi: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.153873

3. Agarwal A. K., Kumar V., Ankur Kalwar A. J. Fuel Injection Strategy Optimisation and Experimental Performance and Emissions Evaluation of Diesel Displacement by Port Fuel Injected Methanol in a Retrofitted Mid-Size Genset Engine Prototype [Электронный ресурс] // Energy. 2022. Vol. 248. doi: https://doi.org/10.1016/j.energy.2022.123593

4. Comparative Assessment of Performance, Emissions and Combustion Characteristics of Tire Pyrolysis Oil-Diesel and Biodiesel-Diesel Blends in a Common-Rail Direct Injection Engine [Электронный ресурс] / Y. H. Teoh [et al.] // Fuel. 2022. Vol. 313. doi: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2021.123058https://doi.org/10.1016/j.fuel.2021.123058

5. Performance and Emissions of Neat Crude Palm Oil and Its Emulsions as Diesel Engine Fuel [Электронный ресурс] / A. F. E. Chan [et al.] // Environmental Progress and Sustainable Energy. 2022. Vol. 41, Issue 2. doi: https://doi.org/10.1002/ep.13749

6. Impact of Compression Ratio on Combustion Behavior of Hydrogen Enriched Biogas-Diesel Operated CI Engine [Электронный ресурс] / P. Rosha [et al.] // Fuel. 2022. Vol. 310, Part B. doi: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2021.122321

7. Лиханов В. А., Лопатин О. П. Биотопливо или дымящие автомобили? // Теоретическая и прикладная экология. 2021. № 3. С. 228–236. doi: https://doi.org/10.25750/1995-4301-2021-3-228-236

8. Оребаева А. А. Производство биоэтанола из возобновляемого сырья // Устойчивое развитие науки и образования. 2021. № 12. С. 18–21. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=47936391 (дата обращения: 04.04.2022).

9. Experimental Investigation of High Alcohol Low Viscous Renewable Fuel in DI Diesel Engine / S. Wang [et al.] // Environmental Science and Pollution Research. 2021. Vol. 28, Issue 10. P. 12026–12040. doi: https://doi.org/10.1007/s11356-020-08298-y

10. Investigation of the Performances of a Diesel Engine Operating on Blended and Emulsified Biofuels from Rapeseed Oil [Электронный ресурс] / V. A. Markov [et al.] // Energies. 2021. Vol. 14, Issue 20. doi: https://doi.org/10.3390/en14206661

11. Lopatin O. P. Investigation of Alternative Fuel Oxidation Kinetics in an Internal Combustion Engine [Электронный ресурс] // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Vol. 919. 2020. doi: https://doi.org/10.1088/1757-899X/919/6/062005

12. Methanol as a Fuel for Internal Combustion Engines / S. Verhelst [et al.] // Progress in Energy and Combustion Science. 2019. Vol. 70. Р. 43–88. doi: https://doi.org/10.1016/j.pecs.2018.10.001

13. Pedrozo V. B., May I., Zhao H. Exploring the Mid-Load Potential of Ethanol-Diesel Dual-Fuel Combustion with and without EGR // Applied Energy. 2017. Vol. 193. Р. 263–275. doi: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2017.02.043

14. Ethanol-Fueled Low Temperature Combustion: A Pathway to Clean and Efficient Diesel Engine Cycles / U. Asad [et al.] // Applied Energy. 2015. Vol. 157. Р. 838–850. doi: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2015.01.057

15. Likhanov V. A., Lopatin O. P. Features of the Development of Fuel Flares When Running Diesel on Alcohol [Электронный ресурс] // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Vol. 919. 2020. doi: https://doi.org/10.1088/1757-899X/919/6/062004

16. Experimental Investigation of Ethanol/Diesel Dual-Fuel Combustion in a Heavy-Duty Diesel Engine [Электронный ресурс] / J. Han [et al.] // Fuel. 2020. Vol. 275. doi: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2020.117867

17. Comparative Study on the Combustion and Emissions of Dual-Fuel Common Rail Engines Fueled with Diesel/Methanol, Diesel/Ethanol, and Diesel/N-Butanol [Электронный ресурс] / Z. Chen [et al.] // Fuel. 2021. Vol. 304. doi: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2021.121360

18. Likhanov V. A., Lopatin O. P. Effective Indicators of Diesel Powered by Natural Gas and Alcohol-Fuel [Электронный ресурс] // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Vol. 548. 2020. doi: https://doi.org/10.1088/1755-1315/548/6/062028

19. Asad U., Zheng M. Exhaust Gas Recirculation for Advanced Diesel Combustion Cycles // Applied Energy. 2014. Vol. 123. Р. 242–252. doi: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2014.02.073

20. Fuel Injection Strategies to Improve Emissions and Efficiency of High Compression Ratio Diesel Engines / U. Asad [et al.] // SAE Int. J. Engines. 2009. Vol. 1, Issue 1. Р. 1220–1233. doi: https://doi.org/10.4271/2008-01-2472

21. Likhanov V. A., Lopatin O. P. Alcohol Biofuels for Internal Combustion Engine [Электронный ресурс] // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Vol. 548. 2020. doi: https://doi.org/10.1088/1755-1315/548/6/062041

22. Фомин В. М., Хакимов Р. Р., Шевченко Д. В. Водород как химический реагент в кинетическом механизме образования углерода в дизеле // Транспорт на альтернативном топливе. 2011. № 3. С. 10–13. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=16533918 (дата обращения: 02.04.2022).

23. Low Temperature Autoignition of Diesel Fuel under Dual Operation with Hydrogen and Hydrogen-Carriers [Электронный ресурс] / J. J. Hern?ndez [et al.] // Energy Conversion and Management. 2022. Vol. 258. doi: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2022.115516

24. Effect of Ethanol on the Chemistry of Formation of Precursors of Polyaromatic Hydrocarbons in a Fuel-Rich Ethylene Flame at Atmospheric Pressure / I. E. Gerasimov [et al.] // Combustion, Explosion, and Shock Waves. 2012. Vol. 48. P. 661–676. doi: https://doi.org/10.1134/S0010508212060019

25. Kurczy?ski D. Effect of the Rome Biodiesel on the Diesel Engine Fuel Consumption and Emission // Communications – Scientific Letters of the University of Zilina. 2021. Vol. 23, Issue 4. P. 308–316. doi: https://doi.org/10.26552/com.C.2021.4.B308-B316

26. Numerical Study for the Spray Characteristics of Diesel Engine Powered by Biodiesel Fuels under Different Injection Pressures / M. F. Al-Dawody [et al.] // Journal of Engineering Research. 2022. Vol. 10, Issue 1B. P. 264–289. doi: https://doi.org/10.36909/jer.9821

27. Alcantara-Carmona A., L?pez-Jim?nez F. J., Dorado M. P. Compatibility Studies between an Indirect Injection Diesel Injector and Biodiesel with Different Composition: Stationary Tests [Электронный ресурс] // Fuel. 2022. Vol. 307. doi: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2021.121788

28. Influence of Non-Uniformity of Fuel Supply Parameters on Diesel Engine Performance [Электронный ресурс] / A. K. Apazehiv [et al.] // Journal of Physics: Conference Series. 2020. Vol. 1679. doi: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1679/4/042063

29. Xia M., Zhang F. Application of Multi-Parameter Fuzzy Optimization to Enhance Performance of a Regulated Two-Stage Turbocharged Diesel Engine Operating at High Altitude [Электронный ресурс] // Energies. 2020. Vol. 13, Issue 17. doi: https://doi.org/10.3390/en13174278

30. Operational Parameters of a Diesel Engine Running on Diesel-Rapeseed Oil-Methanol-Iso-Butanol Blends [Электронный ресурс] / J. ?ed?k [et al.] // Energies. 2021. Vol. 14, Issue 19. doi: https://doi.org/10.3390/en14196173

31. Labeckas G., Slavinskas S. Comparative Evaluation of the Combustion Process and Emissions of a Diesel Engine Operating on the Cetane Improver 2-Ethylhexyl Nitrate Doped Rapeseed Oil and Aviation JP-8 Fuel [Электронный ресурс] // Energy Conversion and Management: X. 2021. Vol. 11. doi: https://doi.org/10.1016/j.ecmx.2021.100106

32. A Comparative Analysis of Emissions from a Compression-Ignition Engine Powered by Diesel, Rapeseed Biodiesel, and Biodiesel from Chlorella Protothecoides Biomass Cultured under Different Conditions [Электронный ресурс] / M. D?bowski [et al.] // Atmosphere. 2021. Vol. 12, Issue 9. doi: https://doi.org/10.3390/ATMOS12091099

33. Rayapureddy S. M., Matijo?ius J., Rimkus A. Comparison of Research Data of Diesel–Biodiesel–Isopropanol and Diesel–Rapeseed Oil–Isopropanol Fuel Blends Mixed at Different Proportions on a CI Engine [Электронный ресурс] // Sustainability. 2021. Vol. 13, Issue 18. doi: https://doi.org/10.3390/su131810059

34. Likhanov V. A., Lopatin O. P. Development of Environmentally Friendly Alcohol-Fuel Emulsions for Diesel Engines // Journal of Physics: Conference Series. Vol. 1515. 2020. doi: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1515/4/042019

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.