Снижение дымности и сажеобразования в дизельном двигателе при полном замещении нефтяного топлива метанолом и метиловым эфиром рапсового масла

EDN:

В общем энергетическом балансе процесса горения сажа считается нежелательным продуктом как с экономической, так и с экологической точки зрения. В то же время в ряде отраслей сажа представляет собой ключевой продукт горения, что обуславливает неизменный научный интерес к процессам ее формирования [1; 2]. Несмотря на противоположные задачи (снижение и увеличение образования сажи) фундаментальные физико-химические принципы, лежащие в основе этого явления, во многом схожи. Общий базис позволяет эффективно применять накопленные знания из различных направлений науки о горении, формируя единую и надежную фундаментальную базу при изучении сажеобразо-

Vol. 36, no. 2. 2026 ENGINEERING TECHNOLOGIES AND SYSTEMS .^Ts вания и решить важнейшую задачу – снизить дымность отработавших газов (ОГ) дизельного двигателя (ДД).

Предложенный комплексный подход особенно актуален при анализе процессов сгорания в ДД, работающих на новых и альтернативных видах топлива. Это обусловлено тем, что многостадийный механизм образования сажи требует глубокого понимания физико-химических закономерностей для оптимизации работы современных энергетических установок [3; 4]. Кроме того, в условиях урбанизированных территорий, характеризующихся высокой концентрацией транспортных средств, выбросы сажи представляют собой серьезные локальные экологические проблемы. Они негативно влияют на качество воздуха и здоровье населения, в частности, на респираторную систему. Следовательно, глубокое изучение механизмов сажеобразования и ее эмиссии с отработавшими газами ДД имеет первостепенное значение для практической деятельности и развития отрасли науки в целом.

По своим показателям применяемости и доступности биодизельный двигатель сопоставим с классическим дизельным, поскольку биодизельное топливо, характеризующееся необходимыми экологическими параметрами, обладает тенденцией к доступности и совместимости с существующим нефтяным дизельным топливом (ДТ).

В современных условиях технологического развития для производства биотоплива достаточно действующей инфраструктуры и существующего уровня развития аграрного сектора экономики. Таким образом, использование ДД, работающих на биотопливе, актуально как в транспортном секторе, так и в агропромышленной сфере. Следовательно, такое топливо можно рассматривать как часть решения проблемы снижения дымности ОГ ДД и улучшения экологии [5; 6].

Целью исследования является определение сажевыделения и снижение дымности отработавших газов дизельного двигателя при работе на метаноле и метиловом эфире рапсового масла (МЭРМ).

Физико-химические характеристики исследуемого биотоплива предположительно отличаются от штатного, поэтому даже на первом этапе его применения необходимо учитывать плотность и вязкость используемого топлива. Данные показатели оказывают влияние на определяющие с точки зрения образования сажи параметры впрыскивания и распыливания в ДД [7; 8].

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Интенсивные научные исследования посвящены физико-химическим свойствам сажи. Современные аналитические методы, включая просвечивающую электронную микроскопию высокого разрешения, рентгеноскопию, спектроскопию, газовую хроматографию, а также контактные и оптические методы, позволили за последние десятилетия детально изучить размеры, структуру и физико-химические характеристики сажи [9; 10].

Для изучения и описания рабочих процессов сажеобразования особый интерес представляют показатели морфологии и микроструктуры ее агрегатных частиц, представленные на рисунке 1 [11].

a)                                                  b)

Р и с. 1. Схема сажевых частиц:

• а)    изображения отобранных первичных частиц;

• b)    схема определения среднего диаметра первичных частиц

F i g. 1. Diagram of soot particles:

• a)    images of selected primary particles;

• b)    scheme for determining the average diameter of primary particles

Примечание: R_g – радиус инерции (гирации) агрегата, нм; d_p – средний диаметр первичной частицы, нм; r 1 , r 2 , r i - расстояния 1, 2 и i -той частицы до общего центра масс, нм.

Note: R_g is the radius of inertia (gyration) of the aggregate, characterizing the spatial distribution of the mass of the primary particles relative to the center of mass of the aggregate, nm; d_p is the average diameter of the primary particle, nm; r 1 , r 2 , r . are the distances of the 1^st, 2^nd and i- th particle to the common center of mass, nm.

Источник: рисунки 1–3 взяты из статьи [11].

Source: figures 1–3 are taken from the article [11].

На основе представленной на рисунке 1 схемы базируется метод анализа изображений для определения размеров первичных частиц d_p и параметров отобранных сажевых агрегатов [12; 13].

На рисунке 2 изображены (в наномасштабе) отдельные части первичной частицы сажи – внутреннее ядро и его внешняя оболочка [14; 15].

Согласно исследованию авторского коллектива из Польши [14], структура частиц характеризуется наличием внутреннего ядра, состоящего из множества мелких частиц с собственным ядром, которые, в свою очередь, покрыты углеродными слоями турбостратной структуры. Внешняя оболочка образована графитовыми кристаллитами, ориентированными параллельно внешней поверхности, что согласуется с данными просвечивающей электронной микроскопии, представленными на рисунке 3 [16]. При этом остается дискуссионным вопрос о природе первичного зародыша частицы: являются ли им полициклические ароматические углеводороды или ацетилен.

Первичная частица / Primary particle

Р и с. 2. Структура первичной частицы сажи при горении дизельного топлива

F i g. 2. The structure of the primary soot particle during the combustion of diesel fuel

a)

b)

Р и с. 3. Микрофотографии частиц сажи: a) агломерат; b) первичная частица

F i g. 3. Micrographs of soot particles: a) agglomerate; b) primary particle

Таким образом, учитывая данные предыдущих исследований [14–16], можно предположить, что при сгорании биотоплива возможно присутствие на ранних стадиях образования достаточного количества различных алифатических соединений, что будет в большей степени свидетельствовать в пользу ацетиленовой теории,

^® ИНЖЕНЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ Том 36, № 2. 2026 предполагающей более активное вовлечение ацетилена как в начальные стадии формирования сажевых частиц, так и в последующий рост их поверхности [17; 18].

Анализ исследований по применению биотоплива свидетельствует о сокращении дымности ОГ, а также основного спектра загрязняющих атмосферу веществ [19; 20]. Наиболее существенное снижение зафиксировано при увеличении доли применяемого метанола в топливе, что не зависит от способа подачи метанола в зону сгорания1 [21; 22].

На сегодняшний день известно три метода введения метанола для ДД Д-2156-МТН-8, устанавливаемого на грузовые автомобили2. Метанол дозируется в виде спирто-топливной эмульсии на стадии впуска, используя форсуночную систему и вспомогательный насос. Важно отметить, что использование метанола в эмульгированном состоянии приводит к значительному снижению содержания как сажи, так и оксидов азота NOx в ОГ.

В исследованиях В. А. Лиханова и А. М. Сайкина метанол подается на впуске ДД3. Ученые отметили снижение дымности ОГ на 20 % при замещении 15 % ДТ, а при замещении 30 % снижение дымности уже составило 40 %. Также было описано впрыскивание метанола сразу в камеру сгорания ДД, что привело к снижению дымности ОГ минимум в 2 раза [22].

Были проведены исследования по применению диссоциированного метанола в ДД 6ЧН 12/14 в качестве дополнительного топлива, подаваемого перед турбиной. Процесс включал предварительное испарение метанола за счет тепловой энергии ОГ и его последующее каталитическое разложение. Результаты экспериментов продемонстрировали существенное снижение концентрации сажи и углеводородов СНх в ОГ4.

Коллектив ученых из Польши и Венгрии рассмотрел спиртосодержащее топливо, состоящее из 85 % этанола и 15 % ДТ. Они осуществляли впрыск во впускной коллектор пропорционально энергетической составляющей по отношению к штатному топливу в размере от 20 до 90 %. Отмечено существенное снижение дымности ОГ в размере 90 % при максимальном замещении штатного ДТ [23].

Представленные исследования доказывают, что применение в ДД метанола приводит к значительному уменьшению в ОГ сажи, что также может быть подтверждением вывода о наличии кислорода в метаноле, позволяющее достичь эффекта снижения дымности ОГ.

Отечественные исследователи предлагают использование МЭРМ вместо традиционного штатного ДТ для снижения выбросов сажи [24; 25]. Так, В. А. Марков, А. А. Зенин и С. Н. Девянин для ДД Д-245.12С установили оптимальный в плане достижения экологического эффекта состав биотоплива, замещающий 40 % МЭРМ

Vol. 36, no. 2. 2026 ENGINEERING TECHNOLOGIES AND SYSTEMS .^Ts в общем количестве штатного ДТ [26]. Однако ученые Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана указывают, что такой состав топлива ограничен ухудшением показателей процесса сгорания, поэтому процент замещения нефтяного топлива нецелесообразно увеличивать⁵.

Проведено исследование ДД УК-2 при работе на рапсовом масле и МЭРМ. Так, отмечены хорошие показатели по снижению дымности ОГ при вынужденном ограничении процента замещения штатного топлива МЭРМ вследствие увеличения расхода топлива, вызванного большей вязкостью применяемого биотоплива6.

Результаты обзора литературы научных исследований доказывают надежное снижение содержания сажи в отработавших газах ДД за счет применения в качестве топлива метанола и МЭРМ. Однако основной проблемой для полного замещения штатного ДТ являются физико-химические свойства применяемых биотоплив (табл. 1 и 2), ухудшающие параметры процесса сгорания ДД, что влияет на процессы топливоподачи и распыливания [27].

Т а б л и ц а 1

T a b l e 1

Сравнительные физико-химические характеристики исследуемых топлив [28] Comparative physico-chemical characteristics of the studied fuels [28]

Свойства / Features	Топливо / Fuel
	Дизельное топливо / Diesel fuel	Рапсовое масло / Rapeseed oil	Метиловый эфир рапсового масла / Methyl ester of rapeseed oil
Элементарный состав, кг/кг; / Elementary composition, kg/kg углерод / Carbon	0,87	0,77	0,78
водород / Hydrogen	0,13	0,12	0,13
кислород / Oxygen	–	0,11	0,09
Плотность при 15 °С, кг/м3 / Density	863	877	860–900
at 15 °C, kg/m3 Теоретическое количество воздуха, не-	14,35	12,50	12,70
обходимое для полного сгорания 1 кг топлива, кг воздуха/кг топлива / Theoretical amount of air required for complete combustion of 1 kg of fuel, kg of air/kg of fuel Поверхностное натяжение, Н/м	27,1∙10–3	33,2∙10–3	30,7∙10–3
при 20 °С / Surface tension, N/m at 20 °C Температура вспышки, °С / Flash point, °C	35–80	100	120
Вязкость при 20 °С, мм2/с, (сСт) /	3,0–6,0	80	12
Viscosity at 20 °C, mm2/s, (cSt) Теплота сгорания, кДж/кг / Heat of	42 530	36 700	37 200
combustion, kJ/kg Цетановое число / The cetane number	45	44	51

Т а б л и ц а 2

T a b l e 2

Физико-химические характеристики метанола7 Physico-chemical characteristics of methanol

Наименование показателя / Naming of the indicator	Значение / Meaning
Внешний вид / Appearance	Бесцветная прозрачная жидкость без нерастворимых примесей / Colorless transparent liquid without insoluble impurities
Массовая доля этилового спирта, %, не более / Mass fraction of ethyl alcohol, %, max	0,01
Плотность при 20 °С, г/см3 / Density at 20 °C, g/cm3	0,791–0,792
Массовая доля нелетучего остатка после испарения, %, не более / Mass fraction of non-volatile residue after evaporation, %, max Температурные пределы: / Temperature limits:	0,001
– предел кипения, °С / Boiling point, °С	64,0–65,5
– 99 % продукта перегоняется в пределах, °С, не более / 99% of the product is distilled within, °С, no more	0,8
Массовая доля хлора, %, не более / Mass fraction of chlorine, %, max	0,0001
Массовая доля аммиака и аминосоединений в пересчете на аммиак, %, не более / Mass fraction of ammonia and amino compounds in terms of ammonia, %, max	0,00001
Испытания с перманганатом калия, мин, не менее / Tests with potassium permanganate, min, not less	60
Массовая доля серы, %, не более / Mass fraction of sulfur, %, max	0,0001
Массовая доля летучих соединений железа в пересчете на железо, %, не более / Mass fraction of volatile iron compounds in terms of iron, %, max	0,00001
Массовая доля альдегдов и кетонов в пересчете на ацетон, %, не более / Mass fraction of aldehydes and ketones in terms of acetone, %, max	0,003
Массовая доля свободных кислот в пересчете на муравьиную кислоту, %, не более / Mass fraction of free acids in terms of formic acid, %, max	0,0015
Массовая доля воды, %, не более / Mass fraction of water, %, max	0,05

Применение метанола и МЭРМ в ДД может позволить минимизировать не только выбросы сажи, но и основные вредные вещества CO, NOx, CHx, а также полностью исключить необходимость применения нефтяного ДТ. Использование биодизельного топлива возможно сократит выбросы твердых частиц и дымность ОГ и, следовательно, улучшит экологические показатели ДД [29; 30].

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Объект исследования

Для проведения испытаний был задействован двухцилиндровый ДД воздушного охлаждения 2Ч 10,5/12,0. Данный двигатель, произведенный Владимирским моторо-тракторным заводом, оснащен неразделенной полусферической камерой сгорания в поршне (рис. 4).

Р и с. 4. Объект исследования

F i g. 4. The object of the study

Источник: фотографии для рисунков 4, 6 были сделаны В. А. Лихановым в лаборатории кафедры тепловых двигателей автомобилей и тракторов Вятского ГАТУ (г. Киров, Россия).

Source: the photographs for figures 4 and 6 were taken by V. A. Likhanov in the laboratory of the Department of Thermal Engines of Automobiles and Tractors of Vyatka State Agrotechnological University (Kirov, Russia).

Методы, оборудование и процедура исследования

Исследования были проведены на базе научно-исследовательской лаборотории кафедры тепловых двигателей, автомобилей и тракторов Вятского государственного агротехнологического университета Министерства сельского хозяйства Российской Федерации.

Характеристика проведенного исследования включает в себя несколько последовательно проведенных этапов, схематично изображенных на рисунке 5.

В качестве инициатора горения (пилотного топлива) был задействован МЭРМ, физико-химические характеристики которого обеспечивали его самовоспламенение в ДД [31; 32].

На первом этапе осуществляли анализ и оптимизацию состава топлива и системы топливоподачи. В ДД была применена гибридная система подачи топлива. Метанол, как основное топливо, поступал через стандартный топливный контур, а для обеспечения воспламенения (пилотный режим) использовался МЭРМ, для которого была предусмотрена отдельная система. Эта система включала штифтовые форсунки (ФШ–6–2×25), топливный насос высокого давления 2 УТНМ, а также необходимые топливопроводы, фильтр и отдельный топливный бак. Процесс запуска и прогрева двигателя проходил на МЭРМ, после чего начинался впрыск метанола, а расход МЭРМ снижался до минимального значения, необходимого для устойчивой работы. После установления рабочего режима, цикловая подача МЭРМ оставалась постоянной (12 %), в то время как метанол составлял 88 % от общего объема подаваемого топлива. Регулировку рабочих параметров ДД осуществляли путем изменения величины цикловой подачи метанола8.

Р и с. 5. Схема проведения исследования

F i g. 5. The scheme of the study

Источник: рисунок 5 составлен авторами статьи в программе CorelDRAW.

Source: figure 5 was compiled by the authors of the article in the program CorelDRAW .

На втором этапе экспериментально был выполнен комплекс мероприятий по снятию рабочих характеристик двигателя с отбором проб ОГ и определением дымности. Снятие всех рабочих характеристик с двигателя (регулировочных, нагрузочных, скоростных) проводилось в соответствии с требованиями ГОСТ 18509-889. Для снятия характеристик был использован электротормозной стенд SAK–N670 с интегрированной балансирной маятниковой машиной (рис. 6).

Р и с. 6. Пульт управления экспериментальной установкой

F i g. 6. Experimental installation control panel

Отбор проб и определение дымности ОГ выполняли с помощью прибора Bosch EFAW-68A по методикам ГОСТ 24028-201310, ГОСТ 17.2.2.02-9811, ГОСТ Р 41.24-200312.

Третий этап включал в себя выполнение расчетных характеристик сажи. В зависимости от изменения угла φ ПКВ были определены: температура Т в зонах образования и выгорания сажи, количество частиц сажи, их текущий среднемассовый диаметр, массовое содержание и концентрация сажи в цилиндре ДД при работе на метаноле и МЭРМ. Далее в зависимости от изменения нагрузки определяли максимальное число частиц сажи, содержание сажи и соответствующие этим значениям углы ПКВ, концентрацию, массу, диаметр и количество частиц сажи в ОГ.

На четвертом этапе выполнялся анализ полученных результатов и оптимизация работы двигателя. Полученные расчетные значения сажи в цилиндре соответствуют актуальным теоретическим моделям, которые описывают протекающие внутри цилиндра процессы и подтверждаются в экспериментальными данными по измерению дымности ОГ. Оптимизации работы двигателя для максимального КПД под нагрузкой достигали путем установки минимальной, но достаточной для устойчивой работы на низких оборотах и холостом ходу, запальной порции топлива. Было установлено, что размер запальной порции в 9,7 мг/цикл при номинальной частоте вращения 1800 мин–1 (что соответствует часовому расходу 1,05 кг/ч) удовлетворяет этим условиям. Дальнейшее снижение запальной порции вызывало неравномерность работы ДД13.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

На рисунке 7 представлены экспериментальные результаты дымности отработавших газов ДД при работе на метаноле и МЭРМ на различных установочных углах опережения впрыскивания топлива (ΘМЭРМ – МЭРМ, ΘМ – метанола).

a)

b)

Р и с. 7. Дымность отработавших газов дизельного двигателя 2Ч 10,5/12,0 при работе на метаноле и метиловом эфире рапсового масла в зависимости от изменения установочных углов опережения впрыскивания:

• a) n = 1 800 мин^-1, p _е = 0,587 МПа; b) n = 1 400 мин^-1, p _е = 0,594 МПа

F i g. 7. Smoke content of exhaust gases in the diesel engine 2F 10.5/12.0 when running on methanol and methyl ether of rapeseed oil, depending on changes in the setting angles of injection advance:

• a) n = 1 800 min^-1, p _е = 0.587 МРа; b) n = 1 400 min^-1, p _е = 0.594 МРа

Примечание: n – частота вращения коленчатого вала, мин^–1; p _e – среднее эффективное давление, МПа.

Note: n – is the speed of rotation of the crankshaft, min^–1; p_e – is the average effective pressure, MPa.

Источник: графики для рисунков 7–14 составлены авторами статьи в программе CorelDRAW.

Source: the graphs for figures 7–14 were compiled by the authors of the article in the CorelDRAW program.

На рисунке 8 представлены расчетные характеристики температуры в цилиндре ДД при работе на метаноле и МЭРМ в зависимости от угла поворота коленчатого вала (ПКВ).

— д = 0,115 МПа/р_е =0.115 MPa — р_е = 0,346 МПа / р = 0.346 МРа -- р_е = 0,587 МПа / р_е = 0.587 МРа р_е = 0,231 МПа / p_t = 0.231 МРа — р_е = 0,462 МПа / р‘ = 0.462 МРа — р[ = 0,692 МПа / р^ = 0.692 МРа

Р и с. 8. Расчетные характеристики температуры Т в цилиндре дизельного двигателя при работе на метаноле и метиловом эфире рапсового масла в зависимости от угла φ поворота коленчатого вала при n = 1 800 мин^-1:

• a) в зоне образования сажи; b) в зоне выгорания сажи

F i g. 8. Calculated characteristics of the temperature Т in the cylinder of a diesel engine when running on methanol and methyl ether of rapeseed oil, depending on the angle φ of rotation of the crankshaft at n = 1,800 min^-1:

• a) in the zone of soot formation; b) in the zone of soot burnout

Расчетные характеристики частиц сажи в цилиндре ДД при работе на метаноле и МЭРМ в зависимости от угла ПКВ представлены на рисунке 9.

Р и с. 9. Расчетные характеристики частиц сажи в цилиндре дизельного двигателя при работе на метаноле и метиловом эфире рапсового масла в зависимости от изменения угла φ поворота коленчатого вала при n = 1 800 мин^-1: a) количество частиц сажи, шт; b) текущий среднемассовый диаметр частиц, нм

F i g. 9. Calculated characteristics of soot particles in a diesel engine cylinder when running on methanol and methyl ether of rapeseed oil, depending on the change in the angle φ of rotation of the crankshaft at n = 1,800 min^-1: a) the number of soot particles, pcs; b) the current average mass particle diameter, nm

На рисунке 10 представлены результаты расчетов массового содержания и концентрации сажи в цилиндре ДД при работе на метаноле и МЭРМ в зависимости от изменения угла ПКВ.

-20   0    20   40    60   80   100   Ф>°           -20   0    20   40   60   80   100 ф/ ре = 0,115 МПа/ре = 0.115 МРа — ре = 0,346 МПа/ ре = 0.346 МРа — ре = 0,587 МПа/ре = 0.587 МРа ре = 0,231 МПа /ре = 0.231 МРа — р" = 0,462 МПа / р^ = 0.462 МРа ---р\ = 0,692 МПа / д = 0.692 МРа

Р и с. 10. Результаты расчетов в цилиндре дизельного двигателя при работе на метаноле и метиловом эфире рапсового масла в зависимости от изменения угла ϕ поворота коленчатого вала при n = 1 800 мин^–1: a) массового содержания; b) концентрации сажи

F i g. 10. Calculation results in a diesel engine cylinder running on methanol and methyl ether of rapeseed oil, depending on the change in the angle ϕ of rotation of the crankshaft at n = 1,800 min^–1:

• a)    mass content; b) soot concentration

На рисунке 11 представлены расчетные показатели сажесодержания в цилиндре ДД при работе на метаноле и МЭРМ в зависимости от изменения среднего эффективного давления р_е .

Р и с. 11. Расчетные показатели сажесодержания в цилиндре дизельного двигателя при работе на метаноле и метиловом эфире рапсового масла в зависимости от изменения нагрузки при n = 1 800мин^–1: а) максимальное число частиц сажи;

• b)    угол, соответствующий максимальному числу частиц сажи

F i g. 11. Calculated indicators of soot content in a diesel engine cylinder when running on methanol and rapeseed oil methyl ether, depending on load changes at n = 1,800min^–1:

• a)    the maximum number of soot particles;

• b)    the angle corresponding to the maximum number of soot particles

Примечание: М _max – максимальное число частиц, шт; φ _М – угол ПКВ, соответствующий максимальному числу частиц, град; N _max – максимальное содержание сажи, мг; φ _N – угол ПКВ, соответствующий максимальному cодержанию сажи, град; C _max – максимальная концентрация сажи, г/м³; φ _С – угол ПКВ, соответствующий максимальной концентрации сажи, град.

Note: М _max – is the maximum number of particles, pcs; φ _М – is the angle of the soot corresponding to the maximum number of particles, deg; N _max – is the maximum soot content, mg; φ _N – is the angle of the soot corresponding to the maximum soot content, deg; C _max – is the maximum soot concentration, g/m³; φ _С – is the angle of the soot corresponding to the maximum soot concentration, hail.

Р и с. 11. Расчетные показатели сажесодержания в цилиндре дизельного двигателя при работе на метаноле и метиловом эфире рапсового масла в зависимости от изменения нагрузки при n = 1 800мин^–1: c) максимальное содержание сажи; d) угол, соответствующий максимальному содержанию сажи; e) максимальная концентрация сажи; f) угол, соответствующий максимальной концентрации сажи F i g. 11. Calculated indicators of soot content in a diesel engine cylinder when running on methanol and rapeseed oil methyl ether, depending on load changes at n = 1,800min^–1:

• c)    the maximum soot content; d) the angle corresponding to the maximum soot content; e) the maximum soot concentration; f) the angle corresponding to the maximum soot concentration

На рисунке 12 представлены расчетные показатели сажесодержания в отработавших газах ДД при работе на метаноле и МЭРМ в зависимости от изменения нагрузки.

Р и с. 12. Расчетные показатели сажесодержания в отработавших газах дизельного двигателя при работе на метаноле и метиловом эфире рапсового масла в зависимости от изменения нагрузки при n = 1 800 мин^-1:

• а) концентрация сажи; b) масса сажи; c) диаметр частиц сажи; d) количество частиц сажи

F i g. 12. Calculated indicators of soot content in the exhaust gases of a diesel engine when running on methanol and methyl ether of rapeseed oil, depending on the load change at n = 1,800 min^–1: a) soot concentration; b) soot mass; c) diameter of soot particles; d) number of soot particles

Примечание: С_r – концентрация сажи, г/м³; M_r – масса сажи, мг; D – диаметр частиц, нм; M – количество частиц, шт.

Note: C r - is the concentration of soot, g/m³; M r - is the mass of soot, mg; D - is the particle diameter, nm; M – is the number of particles, pcs.

Результаты расчетов и экспериментальных измерений дымности ОГ при работе ДД на метаноле и МЭРМ в зависимости от нагрузки представлены на рисунке 13.

• 6I

  /

СО/ о                                   ----

0,1 0,2    0,3   0,4   0,5    0,60,7

р , МПа / р , МРа

— Результаты численного моделирования /

The results of numerical simulation

— Результаты эксперимента / The results of the experiment

Р и с. 13. Результаты расчетов и экспериментальные данные дымности отработавших газах дизельного двигателя при работе на метаноле и метиловом эфире рапсового масла при n = 1 800 мин^–1

F i g. 13. Calculation results and experimental data of the smoke content of diesel engine exhaust gases when running on methanol and methyl ether of rapeseed oil at n = 1,800 min^–1

Примечание: С – дымность отработавших газов, Bosch.

Note: С – smoke content of exhaust gases, Bosch.

На рисунке 14 показаны результаты экспериментальных данных дымности отработавших газов ДД в зависимости от изменения нагрузки.

— Метанол и метиловый эфир рапсового масла / Methanol and methyl ester of rapeseed oil

— Дизельное топливо / Diesel fuel

Р и с. 14. Экспериментальные данные дымности отработавших газах дизельного двигателя в зависимости от изменения нагрузки при n = 1 800 мин^–1

F i g. 14. Experimental data on the smoke content of diesel engine exhaust gases as a function of load changes at n = 1,800 min^–1

Наблюдается надежное снижение дымности отработавших газов ДД при работе на метаноле и МЭРМ в сравнении с дизельным процессом с 5,3 (ДТ) до 0,4 ед. Bosch (метанол и МЭРМ), или в 13,25 раза (номинальный режим).

ОБСУЖДЕНИЕ

Анализ полученных данных выявил следующие существенные закономерности. При работе двигателя на номинальной частоте вращения (1 800 мин–1) минимальное значение дымности ОГ (0,4 ед. Bosch) было зафиксировано при углах опережения впрыскивания МЭРМ и метанола, равных 34° (рис. 7 а). Наибольшая степень

Vol. 36, no. 2. 2026 ENGINEERING TECHNOLOGIES AND SYSTEMS .^Ts дымности ОГ (1,3 ед. Bosch) была зафиксирована при углах опережения впрыска метанола, равных 26°. Это явление можно объяснить тем, что более позднее начало подачи топлива приводит к преобладанию диффузионного режима его сгорания, что, в свою очередь, влечет за собой рост дымности ОГ.

На режиме максимального крутящего момента (рис. 7 b) наблюдается схожая динамика дымности ОГ. Наименьшая дымность (0,4 ед. Bosch) достигается при углах опережения зажигания ΘМЭРМ = 34° и ΘМ = 38°. При снижении ΘМЭРМ до 26° дымность увеличивается до 0,7 ед. Bosch. Максимальная дымность на режиме максимальной мощности (1,25 ед. Bosch) зафиксирована при одновременном значении углов ΘМЭРМ = 26° и ΘМ = 26°.

Результаты численного моделирования температурных полей в цилиндре ДД при номинальном режиме выявили, что пиковая температура в области формирования сажи достигает 2 500 К при угле ПКВ 16,5° (рис. 8 a). В зоне полного выгорания сажи максимальное значение температуры составило 3 000 К, зафиксированное при угле 16,6° ПКВ (рис. 8 b).

Максимальное количество сажевых частиц при номинальном режиме достигает 5,6 · 10¹³ шт. при угле ПКВ 9,1° (рис. 9 а). Средний диаметр этих частиц на выходе составил 29,8 нм (рис. 9 b). Снижение темпов образования и общего числа сажевых частиц объясняется более длительным процессом сгорания, уменьшенной подачей топлива и более низкой температурой газов. Напротив, при высоких нагрузках увеличение количества сажи обусловлено ростом температуры в зоне пиролиза, что ускоряет конденсацию углерода и распад углеводородов топлива. Анализ номинального режима также показал, что пиковое содержание сажи (0,1255 мг) наблюдается при 30° ПКВ, а максимальная концентрация (0,9 г/м3) – при 25,9° (рис. 10 а, b).

По результатам расчетов (рис. 11) установлено, что при номинальном режиме максимальное число частиц сажи достигается при угле 9,1° ПКВ и составляет 5,6 · 10¹³ шт. (рис. 11 a, b), максимальное содержание сажи достигается при угле 30° ПКВ и составляет N _max = 0,1255 мг (рис. 11 c, d), максимальная концентрация сажи достигается при угле 25,9° ПКВ и составляет С _max = 0,9 г/м³ (рис. 11 e, f). Анализ представленных на рисунке 12 расчетов показывает (номинальный режим) величины максимальной концентрации сажи С _ог = 0,051 г/м³ (рис. 12 а), массы сажи – 0,0474 мг (рис. 12 b), среднемассового диаметра частиц сажи на выпуске – D = 29,8 нм (рис. 12 c), количества частиц сажи – 1,81·10¹² шт. (рис. 12 d).

Результаты экспериментальных данных наглядно подтверждают значения расчетных показателей сажесодержания на всех исследуемых нагрузочных режимах. С увеличением нагрузки вследствие повышения часового расхода и цикловой подачи топлива увеличивается дымность отработавших газов ДД.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Введение оксигенированных топлив, таких как метанол и МЭРМ, в дизельное топливо, несмотря на их низкую вязкость и плотность, приводит к повышению содержания кислорода в смеси. Это, в свою очередь, значительно снижает образование сажи в отработавших газах дизельного двигателя по сравнению с использованием обычного ДТ.

Исследования работы ДД на метаноле и МЭРМ позволило установить зависимость максимальных расчетных концентраций сажи в цилиндре от угла ПКВ. Кроме того, были определены уровни содержания сажи в ОГ, а также ее текущие концентрации и массовые доли в цилиндре при варьировании режимов нагрузки и скорости.

При номинальном режиме работы, максимальное скопление сажи в цилиндре с использованием метанола и МЭРМ фиксируется на отметке 0,9 г/м³ при 25,9° ПКВ. В то же время для ДТ этот показатель значительно выше – 8,75 г/м³ при 14,5° ПКВ. Это означает, что при использовании ДТ сажеобразование происходит в 9,75 раза интенсивнее и начинается существенно раньше по сравнению с метанолом и МЭРМ. При использовании метанола и МЭРМ концентрация сажи в ОГ составила 0,0474 мг, что в 5,8 раза меньше по сравнению с показателем в 0,271 мг, зафиксированным при работе на ДТ.

Полученные в ходе расчетов значения концентрации сажи в цилиндре демонстрируют соответствие актуальным теоретическим моделям, описывающим внутрицилиндровые процессы и подтверждаются экспериментальными данными, полученными при измерении дымности ОГ.

Результаты экспериментальных испытаний свидетельствуют о том, что применение метанола и МЭРМ приводит к уменьшению уровня дымности ОГ:

На номинальном режиме ( n = 1 800 мин^-1, р_е = 0,587 МПа) дымность ОГ на ДТ составила 5,3 ед. Bosch, а на метаноле/МЭРМ – 0,4 ед. Bosch, что соответствует снижению на 92,45 % (в 13,25 раза).

При минимальных оборотах ( n = 1 200 мин^–1) показатель изменился с 3,8 ед. Bosch (ДТ) до 0,2 ед. Bosch (метанол/МЭРМ), снизившись на 94,7 % (в 19 раз).

При максимальных оборотах ( n = 2 000 мин^–1) дымность составила 5,0 ед. Bosch (ДТ) против 0,6 ед. Bosch (метанол/МЭРМ), демонстрируя снижение на 88,0 % (в 8,33 раза).

Практической значимостью исследования является расчетное и экспериментальное обоснование снижения дымности и сажеобразования в ДД при работе его на метаноле и МЭРМ, что позволяет полностью заместить штатное нефтяное ДТ альтернативным (метанолом и МЭРМ) и значительно снизить уровень дымности ОГ.

Перспектива исследования заключается в разработке и поиске новых научно обоснованных технических и технологических решений с использованием методов углубленного изучения физико-химических закономерностей формирования сажи в ДД, функционирующих на нетрадиционных альтернативных топливах. Необходимо совершенствование механизмов оценки эмиссии сажи внутри цилиндра и в отработавших газах с учетом многозонных подходов при моделировании процессов, протекающих в цилиндре. Улучшение математических моделей, охватывающих не только фундаментальные аспекты горения, но и испарение топливной смеси с учетом эволюции факела топлива, скорости распространения фронта пламени и пространственно-временных параметров температурных полей, определяющих образование и последующее окисление сажи, а также локальных концентраций компонентов газовой фазы в цилиндре дизельного двигателя, работающего на альтернативном топливе.