Моделирование процесса распыливания смесевого биотоплива с добавкой углеродных нанотрубок

Актуальным направлением достижения требуемых экологических показателей двигателей внутреннего сгорания является использование альтернативных топлив. В качестве перспективных альтернативных топлив для дизельных двигателей рассматриваются растительные масла и топлива на их основе. Для обеспечения приемлемых свойств таких биотоплив растительные масла обычно используются в смеси с нефтяным дизельным топливом. В статье исследована смесь 90% по массе нефтяного дизельного топлива и 10% подсолнечного масла. Для улучшения качества протекания рабочего процесса дизельного двигателя в это смесевое биотопливо добавлялось 1000 мг/л углеродных нанотрубок компании Timesnano (КНР). Для оценки качества распыливания этих смесей в дизельных двигателях проведено моделирование процесса распыливания упомянутых топлив в камеру постоянного объема с использованием программного комплекса Converge CFD. Результаты расчетных исследований показали, что добавление в смесь 90% нефтяного дизельного топлива и 10% подсолнечного масла углеродных нанотрубок приводит к увеличению диаметра капель распыливаемого топлива, что способствует некоторому увеличению длины струй распыливаемого топлива. Одновременно, это сопровождается небольшим увеличением угла конуса раскрытия струи. Следует отметить и лучшую испаряемость моторных топлив при добавлении в них углеродных нанотрубок. Эти эффекты обеспечивают лучшее качество процессов распыливания топлива и смесеобразования.

1. Гайворонский, А.И. Проблемы и перспективы использования безуглеродных и низкоуглеродных моторных топлив в условиях различных сценариев перехода к углеродно-нейтральной энергетике / А.И. Гайворонский, В.М. Гордин, В.А. Марков // Двигателестроение. – 2022. – № 2. – С. 4-28.

2. Шатров, М.Г. Совершенствование рабочих процессов автотракторных дизелей и их топливных систем, работающих на альтернативных топливах / М.Г. Шатров, А.С. Хачиян, Л.Н. Голубков [и др.]. – М.: МАДИ, 2012. – 220 с.

3. Iakovenko A.L., Dunin A.Y., Dushkin P.V., Savastenko E.A., Shatrov M.G. Research of the influence of alternative fuels on diesel engine noise level // В сборнике: IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019 International Conference on Digital Solutions for Automotive Industry, Roadway Maintenance and Traffic Control, DS ART 2019. Bristol, 2020. С. 012004.

4. Пискунов, И.В. Альтернативные виды топлив для устойчивого развития транспортного сектора. Часть 3. Биотопливо / И.В. Пискунов, М.А. Ершов, О.Ф. Глаголева // Транспорт на альтернативном топливе. – 2021. – № 6. – С. 39-46.

5. Моторные топлива, производимые из растительных масел / В.А. Марков [и др.]; Под ред. В.А. Маркова. – Рига: Изд-во Lambert Academic Publishing, 2019. – 420 с.

6. Ощепков, П.П. Исследование процесса самовоспламенения биодизельного топлива / П.П. Ощепков, С.В. Смирнов, И.А. Заев // Двигателестроение. – 2020. – № 1. – С. 47-51.

7. Марков, В.А. Использование подсолнечного масла в качестве топлива для дизелей / В.А. Марков, С.Н. Девянин, А.Ю. Шустер // Грузовик. – 2009. – № 4. – С. 46-56.

8. Биотоплива для двигателей внутреннего сгорания / В.А. Марков [и др.]. – М.: НИЦ «Инженер» (Союз НИО), 2016. – 292 с.

9. Che Mat, S. Performance and Emissions of Straight Vegetable Oils and its Blends as a Fuel in Diesel Engine: A Review / S. Che Mat [et al.] // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2018. – Vol. 82. – P. 808-823.

10. Марков, В.А. Совершенствование процессов распыливания топлива и смесеобразования при работе дизеля на смесевых биотопливах / В.А. Марков [и др.] // Двигателестроение. – 2021. – № 1. – С. 3-12.

11. Плотников, С.А. Расчет характеристик впрыскивания при работе дизеля на активированном топливе / С.А. Плотников, П.Я. Кантор, М.В. Мотовилова // Двигателестроение. – 2020. – № 2. – С. 19-23.

12. Са, Бовэнь. Улучшение эксплуатационно-технических показателей дизеля совершенствованием процесса топливоподачи и свойств топлива: дис. ... канд. тех. наук / Бовэнь Са. – М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2021. – 139 с.

13. Som, S. Effects of Primary Breakup Modeling on Spray and Combustion Characteristics of Compression Ignition Engines / S. Som, S.K. Aggarwal // Combustion Flame. – 2010. – Vol. 157. – P. 1179-1193.

14. Liu, A.B. Modeling the Effects of Drop Drag and Breakup on Fuel Sprays / A.B. Liu, D. Mather, R.D. Reitz // SAE Technical Paper Series. – 1993. – № 930072. – P. 1-13.

15. Schmidt, D.P. A New Droplet Collision Algorithm / D.P. Schmidt, C.J. Rutland // Journal Computation Physics. – 2000. – Vol.164. – P. 62-80.

16. Amsden, A.A. KIVA-II: A Computer Program for Chemically Reactive Flows with Sprays / A.A. Amsted, P.J. O’Rourke, T.D. Butler. – 1989. – 70 p.

17. Aboalhamayie, A. Evaporation Rate of Colloidal Droplets of Jet Fuel and Carbon-Based Nanoparticles: Effect of Thermal Conductivity / A. Aboalhamayie, L. Festa, M. Grimari // Nanomaterials. – 2019. – Vol. 1297. – № 9. – P. 1-10.

18. Senecal, P.K. Grid-Convergent Spray Models for Internal Combustion Engine Computational Fluid Dynamics Simulations / P.K. Senecal [et al.] // Journal Energy Resources Technology. – 2014. – Vol. 136. – Art. no 012204. – P. 1-11.

19. Chen, P.C. Spray and Atomization of Diesel Fuel and its Alternatives from a Single-Hole Injector Using a Common Rail Fuel Injection System / P.C. Chen [et al.] // Fuel. – 2013. – Vol. 103. – P. 850-861.

20. Ishak, M.H.H. Numerical Analysis of Nozzle Flow and Spray Characteristics from Different Nozzles Using Diesel and Biofuel Blends / M.H.H. Ishak [et al.] // Energies. – 2019. – Vol. 281. – № 12. – P. 1-25.

21. Yu, W. Macroscopic Spray Characteristics of Kerosene and Diesel Based on Two Different Piezoelectric and Solenoid Injectors / W. Yu [et al.] // Experimental Thermal and Fluid Science. – 2016. – Vol.76. – P.12-23.