CC BY
37Эффективность применения диметилэфира на автомобильном транспорте
1В.И. Ерохов, профессор Московского государственного машиностроительного университета (МАМИ), д.т.н.
Проанализированы физико-химические и моторные свойства диметилэфира. Приведены конструктивные и функциональные особенности топливной аппаратуры нового поколения для подачи диметилэфира. Приведена оценка технической, социально-экономической и экологической эффективности применения этого вида топлива на автомобильном транспорте.
__Ключевые слова:
диметилэфир, газодизельная аппаратура, одноступенчатый газовый редуктор-испаритель, электромагнитная газовая форсунка, газовая магистраль, система управления, эффективность применения диметилэфира.
овременный газодизель (ГД) имеет ряд бесспорных и доказанных преимуществ по сравнению с базовым двигателем. Работа ГД на режимах малых и средних нагрузок сопровождается повышенным выбросом СО и СН и заметным снижением топливной экономичности. Причин несколько. Одна из них связана со сравнительно быстрым сгоранием запальной дозы (ЗД) до начала активного тепловыделения из-за относительной малой ее величины [1].
Машиностроительный университет МАМИ разработал концепцию газодизельного двигателя с аппаратурой нового поколения для подачи диметилэфира (ДМЭ). В ее основе - ряд известных положений. Система топливоподачи создана по аналогии с системой Blue power dizel [2].
Целью данной работы является создание газодизельной аппаратуры нового поколения на основе электронной системы управления подачей газа во впускной трубопровод двигателя.
ДМЭ представляет собой простейший эфир - органическое вещество, молекулы которого состоят из углеводородных радикалов, соединенных атомами кислорода:
^-О- Кхх , (1)
где радикалы Их и Ихх могут быть различные или одинаковые.
В обычном состоянии ДМЭ представляет собой разновидность сжиженных газов. При давлении выше 0,6 МПа и температуре 20 °С ДМЭ легко сжижается и находится в жидком состоянии. В атмосфере за сутки ДМЭ полностью химически распадается и не достигает стратосферы. Диметилэфир по своим физико-химическим параметрам (за исключением ЦЧ) очень сходен с СУГ (табл. 1).
Улучшение химических характеристик ДМЭ обусловлено отсутствием валентных углеродных связей в его структурной формуле, понижающих склонность к образованию сажи при сгорании. Молекула ДМЭ содержит 35 % кислорода,
Таблица 1
Физико-химические и моторные свойства ДМЭ
Показатель ДМЭ С2НО Пропан С3Н8 Бутан С4Н10 ДТ СтНп
Низшая теплота сгорания, МДж/кг 27,6 46,5 45,8 42,5
ЦЧ 55.60 5 5 47,3
Содержание, % кислорода углерода водорода 34,8 52,2 12,8 82 18 - 87,2 12,8
Молекулярная масса, кг/кмоль 46,07 44,1 58,12 240
Плотность при 20 °С, кг/м3 жидкой фазы газовой фазы 660 1,59 585 2,019 600 2,703 830
Модуль упругости, Н/мм2 1470 - - 1470
Удельный вес в газообразном состоянии, кг/м3 1,59 2,01 2,7
Вязкость жидкой фазы, мм2/с 0,25 0,15 0,18 3,53
Сера, ррт 5 0 0 500
Ароматические углеводороды, % 0 0 0 25
Давление насыщенных паров при 20 °С, кг/см2 6,0 8,4 2,1 0,004
Средняя температура кипения, °С 24,9 -42,1 -0,5 180.370
Температура самовоспламенения, °С 220 470 400 240
Теплота испарения, кДж/кг 410 344 358 850
Стехиометрическое число, кг/кг 9,07 15,8 15,6 14,56
Скорость звука при 20 °С, м/с 865 800 900 1330
что обусловливает более низкую теплоту сгорания. Наличие кислорода внутри молекулы способствует его присутствию в зоне горения.
Жесткость сгорания при работе на ДМЭ будет повышенной из-за высокой летучести (легкие фракции). У диметил-эфира плотность жидкой фазы на 33 % больше, чем у СУГ, и на 20 % меньше, чем у ДТ, а теплота сгорания на 26 % ниже, чем у СУГ, и на 35 %, чем у ДТ. Для стехиометри-ческой смеси ДМЭ требуется 9,1 кг воздуха, а для ДТ - 14,3 кг/кг.
Важное преимущество ДМЭ обусловлено высоким ЦЧ (55...60) по сравнению с ДТ (45.50). Уменьшение износа подвижных частей топливной системы при использовании ДМЭ обеспечивается применением необходимой присадки. Смазывающая способность ДМЭ
повышается добавкой в топливо специальной присадки-лубрикатора, в качестве которой используется Lubrizol 539 А в количестве 50.100 ррт от ДМЭ.
Хорошая испаряемость ДМЭ способствует быстрой газификации впрыскиваемых в цилиндр топливных струй, улучшению процесса смесеобразования и повышению топливной экономичности. Давление ДМЭ существенно выше по сравнению с ДТ.
Вязкость ДМЭ в 20-40 раз менее, чем у ДТ, при высокой испаряемости. Недостаток существующей дизельной топливной аппаратуры связан с утечкой ДМЭ, обладающего высокой диффузией и вытекающего из форсунки дизеля даже при отсутствии давления в линии высокого давления (ЛВД). Температура вспышки ДМЭ ниже в сравнении с ДТ,
что определяет повышенную пожаро-и взрывоопасность. Коэффициент оптической плотности отработавших газов (ОГ) снижается при работе на ДМЭ. Поэтому наиболее эффективный ГД нового поколения может быть применен в системах СошшопгаП (англ. общая магистраль), а также на автомобилях с электронной педалью газа и дизелях с элементами электроники.
ДМЭ может быть получен из любого углеводородного сырья. Существует несколько способов производства диме-тилэфира из органических соединений. Сырьевой базой для производства ДМЭ являются природный газ (ПГ), уголь, кокс нефтяного происхождения и биомасса. Технология изготовления ДМЭ заключается в конверсии ПГ, угля или биомассы методом реформинг-процесса в синтез-газ (СО + Н2), который затем путем прямого процесса превращается в ДМЭ.
Применяют отработанный (через получение метанола), а также более эффективный новый (через синтез-газ) технологические способы массового производства ДМЭ на базе ПГ. Один из способов получения ДМЭ - разложение метанола путем его обезвоживания в среде кислородного катализатора по формуле СО2+3Н2 ■ СН3ОН+Н2О; (2)
2СН3ОН^ СН3ОСН3+Н2О. (3)
Крупнотоннажное производство основывается на синтез-газе (смесь водорода и монооксида углерода). Отечественные химические заводы способны производить ДМЭ в достаточном объеме для удовлетворения энергетических потребностей автотранспорта и смежных отраслей национальной экономики. В парфюмерии ДМЭ заменяет вредные газы (фреон, бутан и пропан). Наиболее экономичный способ - получение из ПГ.
ДМЭ не оказывает канцерогенного воздействия на живые организмы, однако в больших концентрациях он может представлять опасность при его вдыхании. ДМЭ применяют в качестве
компонента для аэрозолей и растворителей в электронной промышленности.
Годовой объем производства ДМЭ в мире составляет 150 тыс. т/г. В качестве исходных продуктов традиционно рассматривались метанол и продукты синтеза Фишера - Тропша.
Физико-химические свойства ДМЭ обеспечивают его использование в качестве моторного топлива и энергоносителя. В массовом масштабе ДМЭ не вырабатывается. В РФ ДМЭ производит Новомосковская акционерная компании «Азот», входящая в состав минерально-химической компании ЗАО МХК «Еврохим». В газодизельной системе на двигателе с воспламенением от сжатия применен принцип работы на одновременном использовании двух видов топлив - дизельного и газового [2]. Благодаря возможностям электронного блока управления можно устанавливать эту систему на дизельных двигателях различных типов.
Основной объем ДМЭ изготавливается из метанола-сырца на установках синтеза под давлением 32...40 МПа, при котором метанол образуется как примесь (5 %). Объем производства ДМЭ в России не превышает 10 тыс. т/г. При сгорании ДТ образуются вредные соединения, а ДМЭ распадается на углекислый газ и воду. ДМЭ дешевле дизельного топлива в 1,7 раза.
Содержание выбросов вредных веществ в ОГ зависит от объема концентрации ДМЭ в заряде дизеля. При испытаниях концентрация ДМЭ в воздухе изменялась от 0,95 до 1,32 %. Поскольку ДМЭ хорошо воспламеняется в КС дизеля, его работа на эфирметаноловой смеси отличается мягким процессом сгорания.
На режимах с полной нагрузкой дымность ОГ снижается на 2 ед. по шкале ВозеЬ, а на частичных нагрузках -на 0,5.1,0 ед. по сравнению с работой на ДТ. Дополнительное снижение содержания NОx в ОГ достигнуто путем регулирования количества ДМЭ во впускаемом
воздухе. Мощность дизеля при переходе на ДМЭ увеличивается на 10 %, а шум рабочего процесса снижается на 10 %.
Применение ДМЭ сопровождается снижением концентраций ПАУ и увеличением расхода топлива на 12 % по сравнению с ДТ. Подобная закономерность обусловлена меньшей теплотворной способностью эфира (37,02 против 43,47 МДж/кг у ДТ). При работе на ДМЭ повышается содержание альдегидов. Концентрация СО в ОГ увеличивается в среднем на 30.40 %. Рост концентраций
СН и СО при работе дизеля на смеси обусловлен несгоревшими парами горючей смеси в застойных зонах цилиндра.
Стоимость ДМЭ выше традиционного нефтяного топлива. Его получают из отходов производства масел. Эфи-ры отличаются от масел минимальными параметрами плотности и вязкости, более высоким ЦЧ и меньшей температурой воспламенения. Система питания современного газодизеля и ДТ с электронным управлением приведена на рис. 1.
Рис. 1. Система питания современного газодизеля с электронным управлением: 1 - воздушный фильтр; 2 - расходомер воздуха; 3,4 - ЭМФ; 5 - трубопровод подачи воздуха; 6 - турбонагнетатель; 7 - трубопровод подачи газовоздушной смеси; 8 - впускные патрубки; 9 - вакуумный шланг; 10 - датчик давления; 11 - электрический провод (зеленый, сигнал С); 12, 54 - переключатели вида топлива; 13 - электрический провод (желтый, сигнал В); 14,19, 22,23,28,29, 32, 36-38,40,41,43,48 - электрические провода; 15 - резиновый шланг; 16 - газовый фильтр; 17 - электромагнитный клапан; 18 - штуцер подачи охлаждающей жидкости; 20 - аккумуляторная батарея; 21 - предохранитель; 24 - газопровод; 25 - одноступенчатый редуктор; 26 - штуцер отвода охлаждающей жидкости; 27, 39 - датчики температуры; 30 - электрический провод (белый, уровень газа в баллоне); 31 - клапан; 33 - компьютер; 34 - интерфейс; 35 - блок управления установки ГБУ; 42 - светодиод частоты вращения; 44 - кабель переключателя; 45, 46 - разъемы блока; 47 - провод электрической цепи педали управления; 49 - педаль управления; 50 - ключ зажигания; 51 - замок зажигания; 52 -электрический провод (1/2 наполнения баллона); 53 - электрический провод (1/4 наполнения баллона); 55 - электрический провод 5 В (баллон полный); 56 - электрический провод (3/4 наполнения баллона)
В системе топливоподачи для корректировки сигнала давления ДТ используют CDI-эмулятор системы Commonrail и эмулятор MAP (эмулятор датчика давления в ВТ). ДМЭ подается из баллона в одноступенчатый редуктор 25 и испаряется в нем теплом охлаждающей жидкости, которая поступает через патрубки. Затем газ поступает к форсункам через фильтр паровой фазы. Форсунки подают газ по трубопроводам через штуцеры, устанавливаемые в ВТ двигателя. Если двигатель имеет турбонаддув, то газ подают перед турбиной.
Педаль управления 49 содержит модуль, устанавливаемый в виде единого узла, включающего педаль акселератора и датчик. Электронный блок 35 (ЭБУ ДМЭ) управляет газовыми форсунками в соответствии с информацией о нагрузке, скорости вращения КВ, температуры ОГ и других параметрах. ЭБУ ДМЭ соединен с датчиками, обеспечивающими необходимые данные для управления совместной подачей дизельного топлива и газа.
Педаль содержит электронную схему, размещенную на металлической пластине, и катушку возбуждения. На электронную схему модуля педали акселератора подается питание под напряжением 5 В для создания переменного тока высокой частоты, питающего катушки возбуждения, которые создают переменное магнитное поле, действующее на подвижную металлическую пластину. В результате этого вокруг пластины образуется собственное магнитное поле, зависящее от ее положения и воздействующее на приемные катушки, генерируя в них переменные токи для выработки выходного сигнала датчика. Напряжение индуцируемого каждой приемной катушкой тока зависит от положения относительно нее металлической пластины.
В электронной схеме индуцируемые тремя катушками переменные токи выпрямляются и усиливаются, а их напряжение соотносится друг с другом. После обработки получается сигнал,
напряжение которого линеино изменяется по ходу педали.
Получая необходимые сигналы, сочетание которых может иметь несколько вариантов в зависимости от устройства двигателя, ЭБУ ДМЭ обрабатывает их и определяет необходимую дозу диметил-эфира в общей доле.
Система управления современного газодизеля при работе на альтернативных видах топлива (АВТ) и ДТ приведена на рис. 2.
Рис. 2. Система управления современного газодизеля при работе на АВТ и ДТ
Для контроля уровня газа, вида топлива и ручного переключения с дизельного на газодизельный режим используется автоматический переключатель (газ-дизель, когда пустой баллон). Одним из важных элементов системы является газовый редуктор, обеспечивающий подачу ДМЭ в систему топливоподачи. В зависимости от вида используемого топлива (СУГ или природный газ) система содержит различные типы редукторов.
Функциональная схема системы подачи ДМЭ и ДТ двигателя приведена на рис. 3.
Система содержит резервуар для хранения сжиженного газового топлива, оборудованный электрическим топливным насосом, подающий и сливной трубопроводы, топливный аккумулятор с регулятором давления и электроуправ-ляемые форсунки.
Рис. 3. Функциональная схема системы питания альтернативным топливом: 1 - резервуар; 2 - электрический газовый насос; 3 - редуктор; 4 - ЭМФ; 5 - аккумуляторная батарея; 6 - индикаторная лампа; 7 - ЭБУ; 8 - замок зажигания; 9 - переключатель
Система питания двигателя ДМЭ включает в себя резервуар 1 для хранения ДМЭ, электрический топливный насос 2, а также мультиклапан, заправочное устройство, подающий и сливной трубопроводы, топливный аккумулятор с регулятором давления и электроуправляемые форсунки 4. Электрический топливный насос 2 подает ДМЭ в сжиженной фазе из резервуара 1 по подающему трубопроводу через редуктор 3 к электроуправ-ляемой форсунке 4. Давление ДМЭ в редукторе поддерживается на постоянном уровне по отношению к давлению воздуха во впускном трубопроводе двигателя посредством регулятора давления.
При включенном зажигании аккумуляторная батарея 5 подключается к форсунке 4 и электронному блоку управления 7, который обеспечивает подачу напряжения от аккумуляторной батареи 5 в цепь питания топливного насоса 2. В результате топливный насос 2 обеспечивает подачу сжиженного ДМЭ под давлением к форсунке 4. ЭБУ 7 на основании ряда датчиков (массового расхода воздуха, положения дроссельной заслонки, остаточного кислорода в отработавших газах, скорости вращения коленчатого
вала и положения распределительного вала) подает управляющие сигналы на электроуправляемую форсунку 4, обеспечивая фазированную подачу необходимого количества сжиженного ДМЭ во впускной трубопровод двигателя в зависимости от режима его работы.
Перед форсункой расположен редуктор 3, поддерживающий постоянное давление посредством регулятора, обеспечивающего слив излишков топлива по сливному трубопроводу через обратный клапан в резервуар для его хранения. Для исключения утечек газового топлива сливной трубопровод на входе в резервуар оборудован обратным клапаном, а подающий трубопровод - электромагнитным клапаном, закрывающимся при отключении электропитания. Подобная система питания обеспечивает подачу во впускной трубопровод ДВС топлива в сжиженной фазе, что положительно сказывается на мощ-ностной характеристике двигателя.
При включении замка зажигания 8 микроконтроллер ЭБУ 7 по положению переключателя 9 и состоянию реле, а также по информации, поступающей от датчиков температуры окружающей среды, температуры в топливном резервуаре, давления во впускном трубопроводе и давления в редукторе, запускает соответствующую программу управления электродвигателем привода топливного насоса и шаговым электродвигателем клапана управления байпасным каналом. Если давление в топливном резервуаре выше 0,4 МПа, ЭБУ отключает электродвигатель топливного насоса, топливо под давлением, имеющимся в топливном резервуаре 1, начинает поступать через бай-пасный канал, при этом управление потоком топлива осуществляется изменением проходного сечения байпасного канала с помощью клапана, перемещаемого шаговым электродвигателем на необходимое число шагов, задаваемое ЭБУ
При переводе переключателя 9 перемены вида топлива ЭБУ устанавливает соответствующий режим электрического
подогрева корпуса распылителя форсунки и включает индикаторную лампу 6. Форсунка, оборудованная системой подогрева распылителя, приведена на рис. 4.
Рис. 4. Принципиальная схема электромагнитной форсунки: 1, 5 - клеммы; 2 - выходной штуцер; 3 - корпус ЭМФ; 4 - входной штуцер; 6 - полый элемент; 7 - датчик температуры распылителя; 8 - распылитель; 9 - устройство подогрева; 10 - впускной трубопровод
Форсунка представляет собой электромагнитный клапан, снабженный на выходе калиброванным жиклером. Во время работы на ДМЭ ЭБУ получает информацию о давлении, температуре газа, поступающего на форсунки, и разрежении в ВТ.
При работе на ДМЭ форсунка впрыскивает топливо в ВТ около впускных клапанов. Открытием и закрытием форсунок управляет ЭБУ газовой системы, соединенный со штатным электронным блоком управления двигателя. При отсутствии управляющего сигнала напряжение на обмотку клапана не подается.
Истечение ДМЭ через сопло распылителя 8 форсунки 3 сопровождается интенсивным его испарением, что приводит к резкому понижению температуры на срезе сопла распылителя 8 и его
обледенению, а также к примерзанию запорной иглы форсунки 3. Для подогрева с целью предотвращения этого ее распылитель 8 помещен в съемный полый элемент 6, имеющий штуцеры 2,4 для подвода и отвода жидкости из системы охлаждения двигателя, который размещен на распылителе 8. Устройство 9 электрического подогрева распылителя 8 форсунки 3 размещено в цилиндрическом зазоре между внешней частью корпуса распылителя и внутренней цилиндрической частью съемного полого элемента 6. Для подключения к соответствующему выходу ЭБУ электроподогреваю-щее устройство 9 снабжено клеммой 5. При пуске и прогреве двигателя включается электрический подогрев, а на рабочих режимах проводится подогрев от охлаждающей жидкости. Датчик 7 температуры распылителя 8 размещен в его корпусе и снабжен клеммой 5 для подключения к соответствующему входу ЭБУ. По сигналам датчиков температур окружающей среды, топливного резервуара, корпуса распылителя 8 форсунки, а также датчика режима работы ДВС ЭБУ выдает электрический сигнал для регулирования электрического подогрева корпуса распылителя 8.
Электромагнитные форсунки снабжены системой температурного контроля их состояния и устройством установки мощности подогрева распылителей при переключении системы питания с летнего топлива на зимний и наоборот. Датчик температуры установлен в корпусе распылителя форсунки. Датчики соединены электрической связью с соответствующими входами ЭБУ Переключатель установки мощности подогрева форсунок и контрольная лампа для индикации установлены в салоне транспортного средства и соединены электрической связью с ЭБУ.
Традиционная система не обеспечивает интенсивное испарение ДМЭ на срезе сопла распылителя форсунки, что может привести к обледенению сопла и вызвать некорректное дозирование
топлива. Подогрев электроуправляемых форсунок обеспечивается за счет подвода к ним жидкости от системы охлаждения двигателя. При этом в непосредственной близости к распылителю форсунки располагаются каналы подвода охлаждающей жидкости. Кроме этого, система дополнена электрическим подогревающим устройством, обеспечивающим индивидуальный подогрев распылителей каждой форсунки. Нагревательный элемент электрического подогревателя расположен вокруг цилиндрической части корпуса распылителя форсунки.
Принципиальная схема топливного насоса приведена на рис. 5.
Рис. 5. Принципиальная схема топливного насоса:
1 - направление потока топлива; 2 - бесколлекторный двигатель; 3 - байпасный канал; 4 - запорный элемент; 5 - клапан управления; 6 - седло клапана; 7 - выходной канал; 8 - лопасти; 9 - вал; 10 - корпус; 11 - рабочее колесо; 12 - входной канал
Топливный насос включает электрический бесколлекторный двигатель 2, дополнительное рабочее колесо, укрепленное на общем валу электродвигателя 2 с основным рабочим колесом, байпасный канал 3, который снабжен клапаном 5 с шаговым ЭД, управляемый от ЭБУ с микроконтроллером по сигналам датчиков температуры окружающей среды и давления в топливном резервуаре. Рабочее колесо состоит из четырех конусообразных лопастей 8, четырехгранной пластины, к граням которой прикреплены лопасти. Каждая лопасть имеет отверстие. Обходной (байпасный) канал 3 обеспечивает отключение насоса при температуре окружающей среды выше нуля градусов и высоком давлении в топливном резервуаре.
Привод топливного насоса представляет собой электрический бесколлекторный двигатель 2 (например, вентильный реактивный электродвигатель) с микропроцессорным управлением, позволяющим изменять частоту вращения рабочих колес насоса в широком диапазоне и соответственно его производительность по сигналам датчиков в зависимости от рабочих условий, а также повышать его надежность ввиду отсутствия коллектора, щеток, щеткодержателей.
Лопасти 8 дополнительного рабочего колеса под действием потока топлива приводят во вращение вал электродвигателя. Поступающее в насос топливо перемешивается лопастями 8, образуя с помощью отверстий микровихри, способствующие повышению эффективности процесса.
Система впрыска ДМЭ снабжена переключателем и реле для перемены программы управления топливным насосом в зависимости от сезона эксплуатации транспортного средства с двигателем, работающим на сжиженном газе.
Топливный насос снабжен дополнительным рабочим колесом, укрепленным на общем валу 9 электродвигателя с основным рабочим колесом,
осуществляющим перемешивание компонентов топлива перед топливоподачей на всех режимах работы ДВС. При достаточно высоких давлениях в топливном резервуаре и при больших расходах топлива поток, проходящий через дополнительное рабочее колесо, создает ему вращающий момент, который через вал передается на электродвигатель, работающий в этом случае как датчик потока. Это позволяет через микроконтроллер ЭБУ более гибко управлять процессом то-пливоподачи, особенно на критических режимах, путем передачи на электродвигатель насоса подтормаживающего момента. Через дополнительное колесо происходит регулирование скорости потока.
Топливный насос установлен в нижней части топливного резервуара. Бесколлекторный электродвигатель и шаговый ЭД клапана 5 управления байпас-ным каналом соединены электрической связью с выводами ЭБУ с микроконтроллером. Реле переключения блока управления также соединено электрической связью с выводами ЭБУ.
Принципиальная схема редуктора-испарителя ДМЭ системы питания газодизеля приведена на рис. 6.
Редуктор для подачи ДМЭ представляет собой устройство для снижения давления газа до 0,3 МПа, поступающего из баллона с давлением 1,6 МПа. Это одноступенчатый автоматический регулятор подачи газа. Редуктор состоит из корпуса, клапана, мембраны, пружины, штуцеров подвода и отвода теплоносителя, штуцеров входа и выхода ДМЭ через предохранительный клапан. Газ через штуцер подвода ДМЭ и клапан поступает в полость низкого давления, где повышение давления приводит к перемещению мембраны с тарелкой, в результате чего держатель клапана воздействует на клапан, что приводит к закрытию полости. В этой полости устанавливается давление, соответствующее усилию пружины, и отсекается от полости высокого давления. Изменяя усилие затяжки тари-ровочной пружины вращением регулировочного винта, можно корректировать давление в полости низкого давления.
Рис. 6. Редуктор-испаритель ДМЭ системы питания газодизеля:
1 - прокладка крышки; 2 - крышка корпуса; 3 - рычаг клапана; 4 - корпус испарителя; 5 - шпилька крепления; 6, 16 - корпус редуктора; 7 - штуцер выхода газа; 8 - штуцер входа газа; 9 - клапан; 10 - штуцер; 11 - гайка; 12 - пружина; 13, 15 - прокладки; 14 - стопорное кольцо; 17 - стакан корпуса редуктора; 18,33 - регулировочные винты; 19 - тяга клапана; 20 - тарелка мембраны; 21,23 - мембрана; 22 - заглушка; 24,26 - уплотнитель; 25,28 - фильтры; 27- скоба; 29 - штуцер подачи газа; 30 - штуцер отвода газа; 32, 34 - контакты; 35 - канал; 36 - система крепления; 37 - винт крепления; 38 - выходная полость; 39 - полость давления
Редуктор имеет каналы, по которым газ в случае протечки (через основные уплотнения) при разрыве мембраны или срабатывании предохранительного клапана выводится по гибкому дренажному шлангу за пределы автомобиля. Дренажный шланг через тройник соединен с датчиком протечки газа.
Давление газового топлива в редукторе поддерживается на постоянном уровне по отношению к давлению воздуха во впускном трубопроводе двигателя посредством регулятора давления, обеспечивающего слив излишков топлива по сливному трубопроводу через обратный клапан в резервуар для его хранения. При этом электроуправ-ляемые форсунки обеспечены системой подогрева распылителя.
Исследования проведены на отечественных и зарубежных дизелях путем применения различных доз ДМЭ и угла опережения впрыскивания в зависимости от нагрузки. В работе применено смешанное регулирование подачи смесево-го состава ДТ+ДМЭ. Температура ОГ на большинстве эксплуатационных режимов лежала в пределах 300.420 °С. Максимальная температура ОГ составляла 550.580 °С. В работе удалось провести разделение процесса сгорания в газодизеле на фазы горения дизеля и ДМЭ.
Высокие выбросы N0.^ на больших нагрузках определяются ростом давления и температуры цикла, а также снижением коэффициента избытка воздуха. Высокие выбросы СО и СН на малых нагрузках связаны с ростом коэффициента избытка воздуха. В наблюдаемых точках перегиба величина ДМЭ становится сравнимой с суммарной величиной топлива, и процесс стремится к дизельному. При газодизельном процессе существенно снижаются выбросы твердых частиц, что дает возможность применения нейтрализатора. Закономерным преимуществом газодизельного процесса в целом являются лучшие показатели токсичности и дымности ОГ.
Высокая энергия ДМЭ обеспечивает надежное воспламенение бедной газовоздушной смеси, а также подготавливает быстрое сгорание основной порции топлива. Снижение величины ДМЭ ниже минимального уровня неизбежно приводит к пропускам или даже невозможности воспламенения газовоздушной смеси.
Переход двигателя на газодизельный режим сопровождается повышением мощности крутящего момента во всем диапазоне внешней скоростной характеристики. При этом наблюдается небольшое повышение температуры отработавших газов (£ОГ).
Удельный расход топлива при работе на газодизельном режиме снижается практически во всем диапазоне. Однако на режимах малой частоты вращения КВ двигателя расход топлива на газодизельном режиме несколько выше. На газодизельном режиме наблюдается резкое снижение дымности ОГ во всем диапазоне скоростной характеристики в 2-3 раза и не превышает 20 %.
Применение смешанного регулирования топливоподачи позволяет улучшить топливную экономичность газодизеля на режимах малых и средних нагрузок до 25-30 % при одновременном снижении выброса ВВ.
Максимальная величина замещения базового топлива составляет 60 % общего расхода топлива при работе двигателя по внешней скоростной характеристике газодизельного двигателя. Температура газа, поступающего в двигатель, существенно влияет на его мощностные показатели. Распределение температур по цилиндрам газодизеля значительно лучше по сравнению с дизелем.
Подбор оптимального закона подачи ДМЭ и ДТ, а также применение системы рециркуляции позволяют снизить расход топлива до 40 г/кВт-ч, а также сократить массовый выброс ВВ от неполного сгорания топлива в 5-7 раз и тем самым обеспечить выполнение перспективных
норм по выбросу вредных веществ ниже уровня требований Правила ЕЕСИШ9.03 (СО - 1 г/кВт, СН - 0,5 г/кВт и NOx -40 2 г/кВт) без применения специальных
антитоксичных систем.
Результаты сравнительных испытаний дизеля при работе на ДМЭ и дизельном топливе приведены в табл. 2.
Таблица 2
Сравнительная оценка ОГ дизеля при работе на ДМЭ и ДТ
Выбросы, г/(кВт-ч) Максимальный шум, ДБ(А)
Топливо N0, СН Твердые частицы
ДМЭ 1,6 0,3 0,025 78
ДТ 3,8 0,3 0,08 88
Из таблицы видно, что основные преимущества ДМЭ - это бездымное сгорание, уменьшенные шум и выбросы N0^ Приведенные данные получены при испытании по 13-режимному европейскому циклу одноцилиндрового дизеля (У=2 л) с турбонаддувом и охлаждением воздуха. Мощности двигателя одинаковы для двух типов топлива. Дизельный двигатель, работающий на ДМЭ без рециркуляции и нейтрализатора, отвечает жесткому калифорнийскому стандарту ^ЕУ. Использование ДМЭ целесообразно для дизелей (табл. 3), эксплуатирующихся в крупных городах с большими транспортными потоками.
Таблица 3
Сравнительные экологические характеристики дизельного двигателя
Топливо Содержание элементов, % (по массе) Теплота сгорания, Плотность, г/см3 Lгеор, кг/кг ЦЧ
С Н О МДж/кг
ДМЭ 52,2 13 34,8 27,8 0,66 9,0 55.60
ДТ 87,0 12,6 0,04 42,5 0,82 14,6 40.52
При работе на ДМЭ время на смесеобразование и задержка воспламенения сокращаются, а холодный запуск существенно облегчается. Необходимое давление впрыскивания ДМЭ составляет всего
30 МПа. Объем топливного баллона для ДМЭ должен быть примерно такой же, как объем бензобака (при равном пробеге автомобиля). При 1=20 °С давление насыщенных паров ДМЭ составляет 0,5 МПа, поэтому баллон должен выдерживать давление, равное 0,9 МПа. Общие затраты на изготовление, транспортировку и хранение, то есть на всю инфраструктуру для ДМЭ на 6 % больше, чем для ДТ, но значительно меньше, чем для бензина.
При работе двигателя на ДМЭ наблюдается более мягкий процесс впрыскивания: менее интенсивный, двухступенчатый или двухстадийный. Привлекательность замены ДТ димети-лэфиром заключается также в отказе от высоких давлений впрыскивания, применяемых в современных топливных системах дизелей.
По своим свойствам ДМЭ существенно отличается от стандартных ДТ. Для обеспечения мощности, равной базовой, массовую цикловую подачу увеличивают на 35 %, а объемную на 50.60 %.
Пониженная вязкость ДМЭ требует доводки топливной аппаратуры для обеспечения ее долговечности. Для образования коэффициента избытка воздуха а=1 горючей смеси для ДМЭ требуется 9,07 кг воздуха, а для ДТ - 14,56 кг/кг. Повышение качества смесеобразования и сгорания позволило изменить состав смеси с а=1,5 до а=1,34 (дизельный двигатель ЯМЗ) без превышения установленного предела дымления.
Применение ДМЭ в дизельных двигателях обеспечивает их соответствие стандарту Евро-4. Выбросы N0X при работе на ДМЭ в 2,5 раза ниже по сравнению с обычным ДТ.
Использование ДМЭ в дизельных двигателях актуально благодаря его низкой склонности к дымлению, высокому ЦЧ и короткой задержке воспламенения. В США стоимость ДМЭ в 1,5 раза выше ДТ. В Европе стоимость ДМЭ на 6 % выше ДТ. Содержание в нем
35 % связанного кислорода практически полностью устраняет дымность ОГ.
При работе дизелей на ДМЭ выбросы N0X снижаются в 3-4 раза при практически бездымном выхлопе на основных режимах работы. Улучшение эксплуатационных характеристик обусловлено снижением динамики цикла и давления сгорания, уменьшающих шумность на 10 дБ(А).
Конвертирование дизелей для работы на ДМЭ состоит в небольшой модернизации топливной аппаратуры, направленной на увеличение объемной подачи топлива и уплотнение ЛНД для приспособления ее к работе на повышенном давлении порядка 1,0.2,0 МПа.
По прогнозу управления транспорта и связи правительства Москвы и ГНЦ РФ «НАМИ», годовая потребность в ДМЭ как топлива составит около 160 тыс. т. В перспективе целесообразно перевести на диметилэфир весь транспорт городского хозяйства. Двухтопливный грузовик может работать на ДТ и ДМЭ в соотношении 40 и 60 % соответственно. Коэффициент расхода ДМЭ уменьшается на 25 % по сравнению с проливкой на ДТ. Для обеспечения параметров базового двигателя площадь распылителей необходимо увеличить на 25 %.
Влияние ДМЭ на показатели работы дизельного двигателя на различных то-пливах при разной нагрузке приведено на рис. 7.
Термический КПД дизеля на ДМЭ (кривая 11) равен его значению при использовании ДТ (кривая 10). Лишь на режимах с высокой нагрузкой эффективность сгорания ДМЭ несколько выше, чем у ДТ. Содержание NОх в ОГ при этом снижалось в 2-2,5 раза (кривая 5), что связано со значительным охлаждением горючей смеси из-за высокой температуры испарения ДМЭ (кривая 6) и снижением максимальной температуры сгорания. Высокая испаряемость ДМЭ сопровождается улучшением смесеобразования, способствующего уменьше-
Рис. 7. Влияние ДМЭ на показатели работы дизельного двигателя при «=1600 мин-1: х—х - ДТ; 1 - СО; 3 - СН; 5 - N0,; 7 - дымность Кх; 9 - формальдегиды; 10 - КПД; о — о - ДМЭ; 2 - СО; 4 - СН; 6 - N0,; 8 - Кх; 11 - КПД; 12 - формальдегиды
нию в ОГ легких углеводородов (кривая 3) и особенно дымности ОГ (кривая 8). При работе на режимах с высокими нагрузками отмечено снижение СО (кривая 2). По содержанию в ОГ формальдегида НСНО работа дизеля на ДМЭ (кривая 9) уступает его работе на ДТ (кривая 12). Однако содержание простейшего углерода в ОГ в обоих случаях незначительно.
Влияние угла опережения впрыска на выброс ВВ при работе дизеля на ДМЭ приведено на рис. 8.
выбросов СН при поздних углах УОВ связано с повышением температуры в конце такта расширения. При низких температурах дожигание СН оказывает заметное влияние на их выброс.
Влияние нагрузки дизеля на выброс ВВ с ОГ при работе на ДМЭ и ДТ приведено на рис. 9.
Рис. 8. Влияние УОВ при работе дизеля на ДМЭ и ДТ при «=1600 мин-1
При поздних углах опережения впрыска (УОВ) выбросы СО при работе на ДМЭ существенно возрастают, достигая 1200 млн-1.
Хорошее смесеобразование уменьшает количество переобогащенных топливом зон, и снижается их зависимость от УОВ. Возрастание СО на средних и больших нагрузках при переходе на ДМЭ обусловлено использованием поздних углов опережения впрыска.
При больших нагрузках наблюдается заметное снижение СН при работе на поздних углах УОВ. Так, при УОВ=4,9° выбросы СН составляют 74 ррт. Отсутствие сажи обеспечивает работу дизеля на ДМЭ на малых углах УОВ, позволяющих снизить выбросы N0^ и СН, а также обеспечить повышенную температуру ОГ для работы окислительного нейтрализатора. Снижение
Рис. 9. Вредные выбросы ОГ при работе дизельного двигателя на ДМЭ и ДТ при «=1 600 мин-1:
1 - ДМЭ; 2 - ДТ (оптимизация УОВ по минимуму N0,); 3 - ДТ (оптимизация УОВ по максимальному давлению р)
Важной характеристикой работы дизеля является снижение оксидов азота. На дизельном топливе сняты две характеристики: ДТ-1 (кривая 2) при работе с оптимальным углом впрыска, обеспечивающим максимальное значение
р, и ДТ-2 с поздним углом впрыска, обеспечивающим минимальным выброс N0^ (кривая 3). При оптимальном угле впрыска (кривая 2) переход на ДМЭ позволяет снизить содержание N0.^ на 30.60 %. Большие значения относятся к области высоких нагрузок.
Переход с ДТ-1 на ДМЭ приводит к увеличению выброса СО (см. рис. 9, кривая 1). При этом наблюдается резкое снижение сажи в ОГ (кривая 3). При изменении УОВ (ДТ-2) выбросы СО превысили показатели, полученные на ДМЭ. Однако при поздних углах выбросы СО при работе на ДМЭ существенно возрастают до 1200 ррт (см. рис. 9). В целом при переходе с ДТ на ДМЭ выброс СО увеличивается в 3,5 раза.
Отсутствие сажи при работе на ДМЭ позволяет использовать поздние углы впрыска топлива с целью снижения выбросов NОx (см. рис. 9, кривая 2). На больших нагрузках выбросы СО при переходе с ДТ на ДМЭ увеличиваются, особенно на поздних УОВ.
Уменьшение УОВ привело к существенному увеличению дымления. Эффективность применения ДМЭ по дым-ности ОГ бесспорна, а по выбросу N0^ СО и СН имеет сложную зависимость.
Снижение скорости нарастания давления в цилиндре при использовании ДМЭ является следствием уменьшения задержки воспламенения, а также доли топлива, поданного за этот период. Система позволяет программно изменять подачу ДМЭ в широком диапазоне и управлять моментом начала и продолжительностью впрыскивания. В данной системе можно выделить два контура -низкого и высокого давления топлива.
Работа в газодизельном режиме сопровождается повышенным выбросом СН и СО по сравнению с аналогичными параметрами дизельного процесса. Это является следствием неправильно организованного процесса сгорания газового топлива. В ГД сгорание запальной дозы из-за малой ее ве-
личины происходит достаточно быстро до начала активного сгорания газового топлива. Сгорание ДТ происходит при высоких значениях коэффициента избытка воздуха независимо от нагрузочного режима работы двигателя.
Величина подачи ДМЭ оказывает заметное влияние на выброс вредных веществ. Изменение запальной дозы ДСдмэ в пределах 10.40 оказывает заметное влияние на выброс N0.^ и СН. По мере увеличения запальной дозы концентрация N0.^ (при высоких р) и особенно СН (при малых р) в ОГ снижается.
Эффективность газодизельного режима можно определить с помощью разработанного коэффициента экологической эффективности, представляющего собой отношение приведенной суммарной токсичности дизеля к суммарной токсичности газодизеля:
— пт со
К™ = < 1 , 0 ,
"-ЭГД
у>Пт-т СО
— 1 гд
(4)
где Т
со
дт
суммарная приведенная ток-
сичность дизеля; Т
гд
суммарная
приведенная токсичность газодизеля; п -сумма компонентов.
Коэффициент экологической эффективности изменяется в диапазоне 1.2. Его величина представляет количество воздуха (м3), необходимое для разбавления ОГ до безвредного состояния.
Испытания дизельного и газодизельного двигателей показали, что на режимах ускорения газодизельный процесс обеспечивает снижение дымности ОГ в 2,7 раза в сравнении с дизельном процессом, а на режиме максимальной частоты вращения КВ двигателя - в 3 раза (табл. 4). На установившихся режимах показатели дымности газодизельного процесса в 1,7 раза меньше по сравнению с дизельным. На режимах максимальных крутящего момента и мощности дым-ность ОГ при работе по газодизельному циклу значительно меньше, чем по ди зельному циклу.
Таблица 4
Показатели дымности и токсичности ОГ дизеля и газодизеля
Режим Предельные нормы Процесс
по ГОСТ 21393-85 Дизельный Газодизельный
Свободного ускорения 40 36 12
Максимальной частоты вращения КВ 15 14 4
В перспективе необходимо проведение работ по доводке системы управления и прежде всего - углов опережения впрыскивания жидкого топлива, а также подбору топливной подающей аппаратуры, обеспечивающей улучшение подачи и распыления малых доз жидкого топлива.
Газодизельные автомобили позволяют снизить расход топлива на 75.80 % за счет замещения дизельного топлива ДМЭ. Например, для автомобиля КАМАЗ-53218 экономия составляет 10.12 т жидкого топлива в год.
Дымность ОГ при использовании ДМЭ снижается в 2-2,5 раза и не превышает 25 %. На частичных нагрузках происходит некоторое ухудшение экономических показателей по мере снижения нагрузки, что связано с ухудшением протекания процесса сгорания.
Диметиловый эфир по своим физико-химическим показателям и данным моторных испытаний может стать в XXI в. основным видом моторного топлива в мире, над внедрением которого в настоящее время интенсивно работают многие ведущие отечественные организации и зарубежные фирмы. Создана новая прогрессивная технология преобразования природного газа (и других видов сырья), обеспечивающего только умеренный экологический эффект, в идеальное моторное топливо, отвечающее всем
самым жестким экологическим и экономическим нормам.
Разработанный алгоритм управления процессами топливоподачи и воспламенения ДМЭ позволяет реализовать потенциальные свойства ДМЭ. Создана система питания двигателя с цифровым дозирующим устройством для подачи ДМЭ. Разработан алгоритм и программа для управления созданной системой питания ДМЭ.
Также разработан метод организации рабочего процесса газодизеля нового поколения с микропроцессорной системой управления. Определен и реализован оптимальный закон подачи запальной дозы дизельного топлива.
Применение газодизельной системы увеличивает мощность двигателя до 20 %, обеспечивает замещение дизельного топлива на 75.80 %, улучшает топливную экономичность ГД на 10.15 % на режимах малых и средних нагрузок, снижает уровень дымности и токсичности ОГ, а также шум автомобиля. Система позволяет рационально решить многие вопросы радикального повышения энергетической и экологической эффективности автомобильного транспорта.
Разработанный газодизельный процесс представляет собой новую технологию совместного использования ДТ и ДМЭ.
_ Литература
1. Карунин А. Л., Ерохов В.И. Газодизельные автомобили. Учебное пособие. -М.: МГТУ «МАМИ», 1999. - 345 с.
2. Ьйр/да8-епегду-Ы1ие-рс№ег. Ки/1п1"огша181уа /106-да2оШ2е1-Ыие-рсгеег.
