CC BY
49
ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
УДК 621. 436. 629
НЕКОТОРЫЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЕЙ НА ТОПЛИВАХ С ДОБАВКОЙ СПИРТА
В.П. Шкаликова
Кафедра комбинированных ДВС Российского университета дружбы народов Россия, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6
В статье дается информация об особенностях воздействия спиртового топлива на моторное масло бензинового двигателя. Приводится сравнительная информация о токсичных выбросах бензиновых двигателей, дизелей и двигателей, работающих на спирте. Токсичность измерялась в г/км. Наибольшие выбросы альдегидов были у двигателей, работающих на метаноле.
Вследствие сокращения добычи нефти, а также удорожания нефтепродуктов для производства горюче-смазочных материалов (ГСМ) проблема энергосбережения в двигателях внутреннего сгорания (ДВС), как основных потребителей ГСМ, становится все более актуальной. В качестве одного из путей решения этой проблемы является замена традиционных топлив или их части на альтернативные спиртовые топлива. Основными преимуществами таких энергоносителей являются их возобновляемость, доступность сырья, из которого они производятся. При работе на спиртовых топливах образуются меньшие токсичные выбросы с отработавшими газами (ОГ), особенно по окислам азота, чем при работе на стандартных топливах. В качестве перспективных видов альтернативных топлив предлагаются спиртовые топлива, а именно метиловый спирт (метанол) и этиловый спирт (этанол), получаемые в результате переработки продуктов и отходов пищевой промышленности, содержащих в своем составе сахара. Метанол также можно получить в результате процесса переработки природного газа или каменного угля на синтетическое топливо, так как в этом процессе промежуточным продуктом является метиловый спирт. Спиртовые топлива могут использоваться как в бензиновых двигателях, так и в дизелях. Метанол практически не растворяется в дизельном топливе, а в бензинах - до 20%. Этанол растворяется в дизельном топливе до 6%, в бензине - до 20%. Спирты содержат кислород в своем составе, что увеличивает его агрессивность к деталям топливной аппаратуры.
При сгорании метанола и этанола образуются как промежуточные вещества органические низкомолекулярные кислоты, способные ухудшать моющий потенциал моторного масла, снижая его щелочное число, т. е. способность моющей присадки масла нейтрализовать продукты окисления, растворяя их. Для моторных масел, например М-8В1 с низким щелочным числом (3-6 мг КОН на 1г масла) и моющим потенциалом 80%, труднее растворить кислые продукты, чем тем маслам, щелочное число и моющий потенциал которых выше указанных значений. Чем выше моющий потенциал, тем лучше очищается поверхность поршня от высокотемпературных отложений. Если моющий потенциал оценивается в 80%, то при этом условно предполагается, что 20% поверхности поршня двигателя осталась неочищенной, при моющем потенциале выше 80%, значит, меньшая часть поверхности поршня условно остается загрязненной. Другой способ оценки загрязненности боковой поверхности поршня (метод ПЗВ) состоит из результатов испытаний моторного масла на установке, имитирующей температурные условия реального двигателя в течение 2-х часов. Цвет загрязненной поверхности поршня сравнивается визуально со шкалой прибора ПЗВ по совпадению цвета. Малое отложение смол (лаков) на боковой поверхности поршня, контактирующей с цилиндром двигателя, указывает на способность масла растворять (смывать) эти отложения с боковой поверхности поршня полностью и оценивается количеством баллов от 0 до 1,0 (светлосерый цвет), самый грязный поршень оценивается в 6,0 баллов (самый темный цвет на шкале прибора ПЗВ).
6
Вестник РУДН, сер. Инженерные исследования, 2004, №2 (9)
Применение добавки метанола к бензину в количестве 15% показало, что при работе двигателя на этом топливе (моторное масло М-8В1, моющий потенциал 80%) попадает как промежуточный продукт муравьиная кислота. Для изучения ее влияния на качество моторного масла и высокотемпературные отложения на поверхности поршня исследовались 2 добавки этой кислоты 0,1 и 0,05% об. При добавке 0,1% муравьиной кислоты к моторному маслу загрязнения (лакообразование) на боковой поверхности поршня при испытаниях по методу ПЗВ составило от 0,5 до 1,0 балла, при этом считается, что лакообразование на боковой поверхности поршня условно отсутствует. При испытаниях моторного масла с добавкой 0,05% муравьиной кислоты загрязнение поршня оценивалось от 1,0 до 1,5 баллов по шкале ПЗВ, т. е. загрязнение (лакообразование) на боковой поверхности поршня увеличилось, хотя добавка муравьиной кислоты к моторному маслу была вдвое меньше. Можно сделать вывод, что при эксплуатации двигателя на топливе с добавкой метанола 15% с повышением количества кислоты до 0,1% в моторном масле уменьшаются выскотемператур-ные отложения, а качество моторного масла не ухудшается, так как моторное масло считается удовлетворительным по качеству, если загрязненность по шкале ПЗВ не превышает 1,5 балла. Самый темный цвет отложений на боковой поверхности поршня оценивается в 6,0 баллов по шкале ПЗВ, а моторное масло при этом бракуется. Однако в эксплуатации двигателя ЗИЛ-130 при работе на бензине с добавкой 15% метанола необходимо использовать моторное масло с более высоким щелочным числом и моющим потенциалом, так как при попадании увеличенного количества муравьиной кислоты в моторное масло, то как продукт окисления метанола, в масле может происходить снижение щелочного числа и моющего потенциала. Вероятно, при этом не хватит их запаса для снижения отложений на других деталях поршневой группы при работе двигателя на максимальных нагрузках. Замеренные количества отложений на других деталях поршневой группы двигателя ЗИЛ-130 при работе на бензине А-76 и на бензине с добавкой 15% метанола (БМ-15) представлены в таблице. Моторное масло в обоих случаях было М-8В1 с моющим потенциалом 80%.
Таблица
Среднее количество лаковых отложений на деталях поршневой группы ЗИЛ-130 после пробега 18000 км при работе на топливах А-76 и БМ-15
Наименование деталей поршневой группы Среднее количество отложений, г
А-76 БМ-15
Поршень (суммарное) 6,38 4,43
Г оловка 0.67 0,69
Перемычки 0,34 0,19
Канавки поршневых колец 0,03 0,36
Боковая поверхность поршня 2,43 1,0
Поршневые кольца (суммарное) 0.57 4,9
Первое кольцо 0.11 0.14
Второе кольцо 0,12 0.14
Всего на деталях поршневой группы 13.80 12.10
Анализ представленных данных показывает, что наименьшие отложения наблюдаются в верхней части поршневой группы при работе двигателя на бензине с добавкой метанола, так как органические кислоты прорываются через зазоры поршневых колец навстречу поднимающемуся маслу, в этот момент наиболее интенсивно воздействуют на отложения, уменьшая их. Далее, вследствие повышенной испаряемости спиртового топлива по мере продвижения спиртовой жидкости вниз концентрация кислот уменьшается и не оказывает значительного воздействия на отложения в нижней части поршня. Можно сделать вывод, что спиртовое топливо при эксплуатации ДВС благотворно влияет на уменьшение нагаро-образования поршневой группы.
Неожиданной проблемой при эксплуатации двигателей с принудительным зажиганием, работающих на метаноле или на топливах с добавкой метанола, являются выбросы фор-
мальдегидов (альдегидов, акролеина и других токсичных веществ этой группы) и несгоревшего метанола поскольку альдегиды относятся к вредным токсическим веществам, особенно акролеин, вызывающий у человека приступы удушья.
Уменьшение выбросов формальдегидов, как правило, происходит при ограниченном теплоотводе от стенок камеры сгорания. Вследствие этого повышается температура стенок, что способствует лучшему окислению метанола и выгоранию недоокислевшихся углеводородных соединений. При этом наблюдается также снижение оксида углерода.
Сравнительный анализ выбросов альдегидов с отработавшими газами (ОГ) был проведен впервые на двигателях с принудительным зажиганием при работе на стандартном бензине (бензиновый двигатель), на метаноле (метанольный двигатель) и дизеле, работающем на стандартном дизельном топливе [3].
При пересчете результатов испытаний на выбросы альдегидов, являющихся составляющей частью формальдегидов, выбросы альдегидов метанольного двигателя превзошли по количеству эти выбросы как дизеля, так и бензинового двигателя. Выбросы альдегидов метанольного двигателя (г/км) с ОГ превышали выбросы бензинового двигателя примерно на 40%, дизеля примерно на 50%. Результаты остальных выбросов по СН, СО и NOx были значительно меньше у метанольного двигателя. Так, по оксидам углерода (СО, г/км) были меньше, чем у дизеля в 14 раз, меньше в 5 раз, чем у бензинового двигателя; несгоревших углеводородов (СН, г/км) в 270 раз меньше, чем у дизеля и в 160 раз меньше, чем у бензинового двигателя; оксидов азота (NOx, г/км) в 6,3 раза меньше, чем у дизеля и в 4,25 раза меньше, чем у бензинового двигателя.
ЛИТЕРАТУРА
1. Склонность моторных масел к образованию отложений в двигателях, работающих на спиртовых топливах / B.JI. Лахши, М.И. Федоров, Ш.И. Фрумин // Двигателестроение. -1987.-№2.-0.27-28.
2. Combustion and emissions of low heat rejection ceramic methanol ATAC engines / Lida Norimasa, Hosonuma Shiniji and. ex. // JSME Int. J.B.-1996.-№ 1.-P.176-184.
3. Состояние развития автомобильных ДВС, работающих на метаноле // Journal of Japanese Society of Environment Pollution Control. -1987. -№ 12. -P. 1149 - 1153.
UDC 621.436.629
ESPECIALLY OF ENGINES ON HEAVY DUTY WORK USING FUELS WITH ALCOHOL ADDITIVES
V.P. SHKALIKOVA
The Department of Combined ICI Peoples' Friendship University of Russia Miklukho - Maklaya st., 6, 117198, Moscow, Russia
The article considers information of influence of alcohol additives in fuel on carbonic-hydrogen emissions of engines and another information of aicohol-fuel for engines.
