CC BY
90Эфиры - перспективные альтернативные моторные топлива для дизельных двигателей
Л.В. Грехов,
профессор Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана (МГТУ им. Н.Э. Баумана), д.т.н., В.А. Марков,
профессор МГТУ им. Н.Э. Баумана, д.т.н. Окончание. Начало в № 3 (15) 2010 г.
Ethers -
Perspective Alternative Fuels for Diesel Engines
L.V. Grekhov, V.A. Markov
The end. The beginning in Nr 3 (15) 2010.
В настоящее время эфиры рассматриваются как перспективные моторные топлива для дизелей. Как и молекулы спиртов, молекулы эфиров содержат значительное количество кислорода, но отличаются от спиртов высокими цетановыми числами и сравнительно низкими температурами самовоспламенения. Поэтому при работе дизелей на эфирах, как правило, не требуются мероприятия по принудительному воспламенению рабочей смеси, а в ОГ содержится очень небольшое количество сажи и других токсичных компонентов [1].
Характерным простейшим эфиром является диметило-вый эфир (ДМЭ или DME, см. табл. 1 в первой части статьи в предыдущем номере). В молекуле ДМЭ два метиловых радикала СН3 соединены атомом кислорода, а его доля в этой молекуле составляет около 35% (см. рис. 1 в первой части статьи в предыдущем номере). Следует также отметить, что в молекуле ДМЭ два атома углерода не связаны между собой, а связь этих атомов с атомом кислорода сравнительно слабая. Поэтому при сгорании ДМЭ в дизеле эта связь легко разрывается, и в ОГ практически отсутствует сажа, но из-за значительного содержания кислорода в молекуле ДМЭ имеет сравнительно низкую теплоту сгорания.
Идея применения ДМЭ в качестве моторного топлива для дизелей, данные о возможности его крупномасштабного производства и первые результаты использования
в дизелях опубликованы фирмами «AMOCO» и «Navistar» (США), «Haldor Topsoe» (Дания) и «AVL» (Австрия) в 1995 г. на конгрессе SAE в Детройте (США) [1].
Диметиловый эфир может быть получен из любого углеводородного сырья (в том числе - из биомассы), но основным сырьем для производства ДМЭ в России является природный газ (продукт его окисления - синтез-газ). Природный газ (метан CH4) реагирует с кислородом и водяным паром с образованием монооксида (СО) и диоксида (СО2) углерода по реакциям:
CH4 + 1,5 О2 — CO + 2 H2O;
CH4 + Н2О — 3 H2 + СО;
CO + Н2О — C02 + H2.
При последующем каталитическом синтезе из СО и СО2 через промежуточное получение метанола CH3OH образуется ДМЭ (CH3OCH3):
3 H2 + СО2 — CH3OH + 2 H2O;
Н2О + СО — H2 + ТО2;
2 CH3OH — CH3OCH3 + H2O.
Технология производства этого топлива разработана датской фирмой «Haldor Topsoe» [1]. Пока промышленное производство ДМЭ осуществляется исключительно на стационарных установках. Однако быстрый прогресс в технологии производства ДМЭ (в частности, снижение давления синтеза с 32 до 9 МПа, переход на низкотемпературный катализатор и т.д.) может привести к появлению компактных реакторов ДМЭ, которые можно будет разместить на борту транспортного средства. Работы в этом направлении проводятся рядом зарубежных фирм, в частности фирмой «Volvo».
Классическим примером использования ДМЭ в качестве моторного топлива для дизелей являются исследования работы [2]. Они проведены на одноцилиндровом четырехтактном дизеле без наддува с непосредственным впрыскиванием топлива и номинальной мощностью N8=11 кВт при n=2300 мин-1. Дизель имел размерность S/D=11,5/10, рабочий объем Vh=903 см3, степень сжатия е=18,4, вихревое отношение воздушного заряда D=2,3. ДМЭ в КС подается штатной топливной системой дизеля. Испытания показали, что перевод дизеля с дизельного топлива (ДТ) на ДМЭ значительно улучшал показатели токсичности ОГ (рис. 4), не оказывая заметного влияния на термический КПД двигателя nt. Лишь с точки зрения содержания в ОГ формальдегида НСНО работа дизеля на ДМЭ уступала его работе на ДТ. Однако содержание этого простейшего альдегида в ОГ в обоих случаях весьма незначительно.
Аналогичные результаты получены в работе [3] при испытании дизеля 1ЧН 10,8/11,5. Отмечено уменьшение периода задержки воспламенения ДМЭ и увеличение продолжительности сгорания в сравнении с ДТ, а также сравнительно слабое влияние давления впрыскивания ДМЭ на показатели рабочего процесса. Использование
Рис. 4. Зависимость термического КПД п, (а), объемных концентраций в ОГ оксидов азота СЮх (б), монооксида углерода ССО (в), легких углеводородов ССНх (г), дымности ОГ Кх Д) и содержания в них формальдегида СНСНО (е) от нагрузки на дизель (среднего эффективного давления ре), работающий на режиме с частотой вращения коленчатого вала п=1800 мин-1 на различных топливах: 1 - ДМЭ; 2 - ДТ
ДМЭ позволило заметно улучшить показатели токсичности ОГ (в первую очередь - дымность ОГ и выброс оксидов азота). Таким образом, известное противоречие между минимизацией выбросов твердых частиц и NOx, возникающее при оптимизации рабочего процесса дизеля, при использовании ДМЭ решается просто: есть возможность деформировать рабочий процесс в сторону необходимого минимума выбросов NOx.
Кроме ДМЭ, в качестве топлива для дизелей используются и другие рассмотренные выше эфиры. Привлекательным представляется использование в качестве топлива для дизелей диэтилового эфира (DEE, см. табл. 1 в первой части статьи в предыдущем номере), обладающего очень хорошей самовоспламеняемостью (ЦЧ>125, температура самовоспламенения t=180°C) и содержащего 21,6% кислорода. Результаты исследований дизелей, работающих на DEE и его смесях с другими топливами, приведены в публикациях [1, 4]. Однако его применение затруднено из-за большой огне- и взрывоопасности.
Показатели ряда дизелей, работающих на дибутиловом эфире (DBE, табл. 1 в первой части статьи в предыдущем номере), представлены в работах [1, 5-7]. Исследованы особенности работы дизелей и на других простых симметричных эфирах - диизоамиловом (DIAE, табл. 1 в первой части статьи в предыдущем номере), изооктиловом и др. [1, 7, 8].
В бензиновых двигателях в качестве кислородсодержащих добавок (оксигенатов) к бензинам, повышающих их октановое число, широко используются различные эфиры, среди которых можно отметить метилтретбутиловый эфир
(MTBE, табл. 2 в первой части статьи в предыдущем номере), этилтретбутиловый эфир (ETBE, табл. 2), метилтретамило-вый эфир (MTAE или TAME, табл. 2), диизопропиловый эфир (DIPE, табл. 1) [1]. Их разработкой и исследованием занимались фирмы «General Motors», «Chrysler», «Ford», «Exxon», «Texaco» и др. Эти эфиры можно использовать в качестве добавок к основному топливу и в дизельных двигателях. Добавление в ДТ (или другие виды топлива) оксигенатов, отличающихся хорошей воспламеняемостью в условиях КС дизелей, позволяет заметно улучшить показатели двигателя. Среди оксигенатов наиболее перспективен МТБЭ, который производится для этой цели в промышленном масштабе. Его добавка в бензин существенно снижает содержание в ОГ токсичных продуктов неполного сгорания, особенно ароматических углеводородов, и не приводит к повышению коррозионной активности бензина. Эти эфиры могут использоваться и в качестве топлива для дизелей (обычно в смеси с ДТ) [1].
Проблемам организации работы дизелей на диметок-симетане (DMM, табл. 3 в первой части статьи в предыдущем номере) посвящены работы [1, 9-11]. Молекулы этого эфира содержат 42% кислорода. Он имеет цетановое число ЦЧ=28,5 и может использоваться в смесях с синтетическими топливами, тяжелыми нефтяными топливами, спиртами и другими топливами. Возможно использование в качестве топлива для дизелей и ненасыщенных эфиров, например, анизола (рис. 2 в первой части статьи в предыдущем номере), содержащего в молекуле кольцевую бензольную структуру [1, 7].
Проблемам использования в качестве топлива для дизелей простых эфиров этиленгликоля, диэтиленгликоля и трипропиленгликоля посвящена работа [7], в которой исследованы моноэтиловый эфир этиленгликоля (этил-целлозольв), диметиловый эфир этиленгликоля (глим, диметилцеллозольв), диэтиловый эфир этиленгликоля (диэтилцеллозольв), дибутиловый эфир этиленгликоля (дибутилцеллозольв), диэтиловый эфир диэтиленгликоля (диэтилкарбитол), дибутиловый эфир диэтиленгликоля (дибутилкарбитол), диметиловый эфир триэтиленглико-ля (триглим) (табл. 3 в первой части статьи в предыдущем номере). Среди них можно выделить диметиловый эфир диэтиленгликоля (диглим, табл. 3), молекулы которого содержат 35,8% кислорода, а цетановое число превышает 125 ед. [1, 5-7, 12]. Еще одним перспективным топливом для дизелей является монобутиловый эфир этиленгликоля (бутилцеллозольв - ENB, табл. 3) [1, 5-7].
Возможно использование в качестве топлива для дизелей сложных эфиров, относящихся к группе ацетатов (табл. 4 в первой части статьи в предыдущем номере). Некоторые из них являются отходами химических и биохимических производств, и их сжигание в дизелях позволяет решить проблему их утилизации. В качестве добавки к ДТ могут
50
40
30
20
10 0
,г1
в
А
■
з7
4 iш 5
10
20
30 Со, %
Рис. 5. Зависимость дымности ОГ Кх дизеля от содержания кислорода СО в молекулах различных топлив: 1 - ДТ; 2 - дибутиловый эфир фВЕ); 3 - этилгексилацетат (ЕНА);
4 - нормальный монобутиловый эфир этиленгликоля (ЕШ);
5 - диметиловый эфир диэтиленгликоля ^М); кроме данных по эфирам, на рисунке приведены данные по их смесям с ДТ
быть использованы этилацетат, бутилацетат, винилацетат и др. Этилгексилацетат (EHA, табл. 4) может применяться и как основное топливо [1, 5, 6].
Сложные эфиры растительного происхождения (сложные эфиры растительных масел) уже широко используются в качестве кислородсодержащих добавок к дизельным топливам в ряде стран Европы (топливо Biodiesel). Особенности их применения в качестве топлива для дизелей рассмотрены в работах [1, 13].
Несомненным преимуществом использования эфиров в качестве топлива для дизелей являются малые выбросы сажи или практически полное отсутствие ее в ОГ. По данным работ [5, 6] при дымности ОГ дизеля, работающего на ДТ, равной Kx=55%, его перевод на эфиры, молекулы которых содержат более 25-30% кислорода, сопровождается снижением Kx до величины менее 1% по шкале Хартриджа (рис. 5).
Результаты сравнительных экспериментальных исследований дизелей, работающих на различных эфирах, приведены на рис. 6 [1, 6]. Исследованы четыре упомянутые выше эфира - дибутиловый эфир, этилгексилацетат, монобутиловый эфир этиленгликоля и диметиловый эфир диэтиленгликоля. Испытания проведены на дизелях Yanmar NF19 (размерность D/S=110/106, степень сжатия £=16,3, мощность N=11,8 кВт при n=2200 мин-1) и Yanmar NFD13 (размерность D/S=92/96, степень сжатия £=17,7, мощность N=8,6 кВт при n=2600 мин-1), имеющих тороидальную КС в поршне. При работе этих дизелей на всех исследованных эфирах достигнуто снижение выбросов с ОГ твердых частиц, оксидов азота NO^ газообразных углеводородов СНх и дымности ОГ Кх. Для двух видов топлива с более высокой воспламеняемостью (DBE и DGM) отмечено снижение
уровня шума. Снижение токсичности ОГ зависит, главным образом, от содержания кислорода в молекулах топлива и практически не зависит от строения молекулы. Положительные результаты получены не только при работе дизеля на чистых эфирах РВЕ, ЕНА, ENB и DGM), но и на их смесях с ДТ.
В работе [14] исследован коммерческий шестицилиндровый дизель с непосредственным впрыскиванием топлива, работающий на смесях ДТ с метиловым эфиром трипропиленгликоля (ТРМО, табл. 3 в первой части статьи в предыдущем номере) и со сложным метиловым эфиром соевого масла. Исследуемый дизель с турбонад-дувом выполнен с рабочим объемом ^=7,961 л, степенью сжатия е=18, номинальной мощностью ^=191 кВт при п=2700 мин-1. При работе дизеля на смесях базового ДТ с ТРМО отмечено монотонное снижение выбросов всех нормируемых токсичных компонентов ОГ с увеличением содержания эфира Сэ в смесевом топливе. Причем, максимальное снижение этих выбросов получено при Сэ=50% (об.) и составило для оксидов азота еМОх=-3%, для монооксида углерода еСО=-19%, для несгоревших углеводородов еСНх= -22%, для твердых частиц еТЧ=-63%. Такое улучшение показателей токсичности объясняется высоким цетановым числом ТРМО (ЦЧ=70) и большим содержанием кислорода в его молекуле (СО=31,0%).
Представленные данные соответствуют традиционной организации рабочего процесса дизеля - подаче эфиров и их смесей с дизельным топливом в КС дизеля штатной системой топливоподачи и воспламенение
Рис. 6. Зависимость количества выделившейся при сгорании энергии Е (а), уровня шума (б), дымности ОГ Кх (в), удельных выбросов с ОГ оксидов азота еЮх (г), монооксида углерода еСО (д) и несгоревших углеводородов еСНх (е) дизеля от содержания кислорода СО в молекулах различных топлив: 1 - ДТ; 2 - дибутиловый эфир фВЕ); 3 - этилгексилацетат (ЕНА)
4 - нормальный монобутиловый эфир этиленгликоля (ЕШ)
5 - диметиловый эфир диэтиленгликоля ^М); 6 - смесь ДТ и DBE 7 - смесь ДТ и ЕНА; 8 - смесь ДТ и ЕШ; 9 - смесь ДТ и DGM
топливовоздушной смеси от теплоты сжатия. Но возможны и другие способы организации рабочего процесса дизеля при использовании указанных топлив.
Поскольку многие эфиры обладают сравнительно высоким цетановым числом, они могут быть использованы в качестве запального топлива в двухтопливных двигателях, работающих на топливах с высокой температурой самовоспламенения (например, на спиртах). При этом возможна различная организация рабочего процесса дизеля. Опубликованы результаты исследований дизелей, работающих на природном газе, метаноле и других низкоцетано-вых топливах с подачей ДМЭ на впуске [1,15].
Высокое цетановое число ДМЭ и его низкая вязкость позволяют использовать его в смесях с высоковязкими низкоцетановыми топливами, например, растительными маслами с целью улучшения их физико-химических свойств, актуальных для распыливания, воспламенения, горения и в отношении экологических показателей. Сравнение результатов испытаний дизеля 4 410,8/11,5 при работе на ДТ, на топливе, полученном при этерификации растительного масла, смесях растительных масел с ДМЭ и чистом ДМЭ подтверждает возможность улучшения качества растительных и синтетических моторных топлив [1, 13]. Наличие и увеличение доли ДМЭ в смеси изменяет характеристики эмиссии вредных веществ - снижается дымность ОГ, есть возможность снизить выбросы N0^ но растут выбросы СН и СО. Также несколько снижаются выбросы С02.
Другим вариантом организации рабочего процесса является смешивание эфиров с низкоцетановыми спиртовыми или газообразными топливами. Пример подобного применения эфиров описан в работе [8]. Исследован
дизель типа L60 (1 ЧН 7,5/6,2), работающий на смесях дизельного топлива и этанола, а в качестве добавки, улучшающей воспламенение смесевых топлив и сокращающей период задержки воспламенения, использован диизоами-ловый эфир (DIAE, табл. 1 в первой части статьи в предыдущем номере) с температурой самовоспламенения t=250°C. Исследуемый одноцилиндровый четырехтактный дизель с турбонаддувом и непосредственным впрыскиванием топлива имел степень сжатия е=20 и систему охлаждения наддувочного воздуха. Добавление DIAE в смесевые топлива приводило к их более мягкому сгоранию с приемлемыми показателями динамики процесса сгорания и топливной экономичности, а также к улучшенным показателями дым-ности и токсичности ОГ.
Пример подобного использования ДМЭ приведен в работе [1]. Исследована двойная система топливоподачи автомобильного дизеля ACME ADN-37 (е=19, Vh=0,337 дм3, Ne=4 кВт при n=3000 мин-1), работающего на метаноле с подачей в КС запальной дозы ДМЭ. Причем, ДМЭ вырабатывается из метанола в небольшом реакторе, установленном непосредственно на автомобиле. При переводе дизеля на эфирметаноловую смесь резко снижается или вообще отсутствует эмиссия сажевых частиц. В то же время концентрация монооксида углерода в ОГ увеличивается в среднем на 30-40%. Выявлено и небольшое повышение эмиссии несгоревших углеводородов. Рост эмиссии CHx и СО при работе дизеля на эфирметаноловой смеси обусловлен увеличением количества несгоревших паров горючей смеси, присутствующих в застойных зонах цилиндра. Но такое увеличение выбросов CO и CHx не является критическим, поскольку эти компоненты могут быть легко окислены с помощью каталитического нейтрализатора.
Рис. 7. Система подачи ДМЭ в КС дизеля, созданная в МГТУ им. Н.Э. Баумана
Высокое цетановое число ДМЭ позволяет использовать его в качестве запальной дозы для воспламенения низко-цетановых газообразных топлив в двухтопливных дизелях. В работах [1, 16] представлены результаты исследований дизелей, работающих на смесях ДМЭ с пропаном и дизельным топливом.
Кроме рассмотренных принципов организации рабочего процесса, возможна работа дизеля на гомогенной смеси природного газа и ДМЭ [1, 17]. В этом случае смешивание природного газа и ДМЭ в газовой фазе с воздухом происходит во впускном трубопроводе дизеля, а момент самовоспламенения рабочей смеси в цилиндрах дизеля регулируется путем обеспечения требуемых соотношений указанных компонентов в рабочей смеси. Благодаря высокому цетановому числу ДМЭ и хорошему качеству смесеобразования при работе дизеля на природном газе с добавками ДМЭ достигается не только более устойчивое воспламенение на режимах малых нагрузок и при пуске, но и работа с меньшей дозой запального топлива. Объединение двух высокоэкологичных топлив -природного газа и ДМЭ - обеспечивает получение высоких экологических показателей дизелей.
Интенсивные исследовательские работы по использованию ДМЭ в качестве топлива для дизелей проведены в России [1]. Начиная с 2002 г. в соответствии с постановлением Правительства Москвы принят ряд целевых программ по переводу городского дизельного автотранспорта на ДМЭ. В рамках этих программ проведены работы по адаптации дизельных двигателей Д-245.12 (4 ЧН 11/12,5) малотоннажных грузовых автомобилей ЗиЛ-47303А «Бычок», двигателей типа КамАЗ-740 грузовых автомобилей, ряда других двигателей транспортных средств к работе
на ДМЭ. В соответствии с городской целевой программой «Диметиловый эфир - экологически чистое моторное топливо для дизельного транспорта Москвы на 2005-2007 гг.» и предшествующими ей программами предложены три схемы системы подачи ДМЭ в цилиндры дизеля. ФГУП «НАМИ» и ФГУП «НИИД» разработали системы топливоподачи «чистого» ДМЭ в цилиндры двигателя, а в МГТУ им. Н.Э. Баумана предложена схема подачи смесевого топлива (смесь ДТ и ДМЭ). В качестве базового был использован штатный топливный насос высокого давления (ТНВД) типа УТНМ производства Ногинского завода топливной аппаратуры (НЗТА). Эти три различных схемы и технологии применения ДМЭ на автомобилях ЗиЛ-47303А «Бычок» с дизелями Д-245.12 прошли всесторонние испытания - на полигоне ГУП «НИ-ЦИАМТ» (г. Дмитров) и в условиях реальной эксплуатации автомобиля.
В МГТУ им. Н.Э. Баумана разработана схема системы подачи смеси дизельного топлива и ДМЭ в КС дизеля, представленная на рис. 7. Процесс подачи ДМЭ и образование смесевого топлива осуществляются следующим образом. ДМЭ из бака подается к двигателю под давлением 1,0-1,5 МПа, создаваемым сжатым азотом. Наддув баллона с ДМЭ азотом позволяет сохранить избыточное давление приблизительно на одном уровне в процессе потребления ДМЭ, исключить вероятность образования паровых пробок и прекращения работы дизеля. Кроме этого, безнасосная схема подачи ДМЭ соответствует требованиям взрыво- и пожаробезопасности, так как при температуре ниже -25°С давление насыщенных паров эфира становится ниже атмосферного, что не исключает вероятность попадания атмосферного воздуха внутрь баллона. ДМЭ, пройдя через электромагнитный клапан отсечки подачи,
Таблица 5
Показатели впрыскивания топлив в дизель Д-245.12С с ТНВД НЗТА
Показатели впрыскивания ДТ ДМЭ 90% ДТ+ 10% ДМЭ*
Цикловая подача дц, мг 79 118 82,7
Активный ход плунжера, мм 2,15 6,56 2,56
Величина подвпрыскивания, % от дц 0 1,2 0
Максимальное давление перед форсункой, МПа 55,09 38,38 55,08
Продолжительность подачи, град. п.к.в. 21,4 43,5 22,4
Запаздывание начала подачи, град. п.к.в. 11,20 23,4 12,50
Примечание. п.к.в. - поворот коленчатого вала; * - указаны объемные доли ДТ и ДМЭ.
Таблица 6
Параметры подачи ДМЭ с ТНВД НЗТА при различных условиях (опытная система топливоподачи дизеля Д-245.12С с КИП, п=1200 мин-1)
Наименование Г тах, МПа форс ' Р тах, МПа впр ' 6кип> %
Штатная система 55,09 41,2 0
Подача смеси ДТ и ДМЭ через ТНВД (32% ДМЭ) 43.23 30.95 0
КИП у ТНВД 51.6 36.56 32
КИП у ТНВД с ^р=1,5 мм 48.26 34,22 67
КИП у форсунки 53.53 38.07 45
поступает к топливнои рампе и к клапанам импульснои подпитки (КИП). Смешение ДМЭ с ДТ осуществляется в КИП, через которые происходит многократное всасывание ДМЭ в трубопроводы высокого давления после закрытия иглы форсунки в условиях затухающего волнового процесса изменения давления топлива в трубопроводе. Схема подачи ДМЭ в линию высокого давления с помощью КИП была предложена и апробирована для широкого круга задач (в том числе для подачи сжиженных газов) профессором Н.Н. Патрахальцевым. Именно с использованием клапанов импульсной подпитки в лабораториях РУДН, МГТУ им. Н.Э. Баумана, АлтГТУ удавалось подавать в линию высокого давления различные топлива, включая сжиженный газ, вязкие суспензии, водород и т.д. Эта схема требует внесения изменений в конструкцию нагнетательного клапана, оптимизации расположения КИП, его параметров, а также параметров всей системы топливоподачи.
Следует отметить, что параметры топливоподачи ДМЭ существенно зависят от особенностей ее организации (табл. 5). Поскольку ДМЭ имеет большую сжимаемость, с точки зрения качества топливоподачи худший вариант - его подача в виде смеси с ДТ через линию низкого давления и ТНВД. По той же причине подача ДМЭ в смесь у ТНВД хуже, чем у форсунки (табл. 6). Используя малообъемный нагнетательный трубопровод, удалось получить максимальную долю ДМЭ в смеси, в минимальной степени снизив давление впрыскивания. Из-за трудности установки на большое число автомобилей трубопроводов с уменьшенным внутренним диаметром (d=1,5 мм) клапаны импульсной подпитки были размещены у форсунок.
Следует отметить, что если для сохранения мощности дизеля требуются в 1,85 раза большие объемные цикловые подачи ДМЭ, то для сохранения приемлемых давлений впрыскивания в силу большей сжимаемости ДМЭ необходимо закладывать запас по объемной производительности уже в 2,4-2,7 раза больший. Это учтено в табл. 5, где приведено сравнение параметров подачи для дизеля Д-245.12С, работающего на различных топли-вах. В дизеле без управления углом опережения впрыскивания (УОВТ) запаздывание подачи из-за повышенной сжимаемости ДМЭ становится значительным. Поэтому в дизелях с автоматической муфтой опережения или электронным управлением началом подачи характеристики
Параметры топливоподачи
а б
Рис. 8. Размещение топливной системы МГТУ им. Н.Э. Баумана в подкапотном пространстве автомобиля ЗИЛ-47303А «Бычок» (а); приборы контроля потока и давления ДМЭ под капотом (б)
регулирования УОВТ при переходе на ДМЭ должны быть изменены.
Другой особенностью использования ДМЭ в качестве моторного топлива является значительное снижение давления впрыскивания. Этому не препятствует даже увеличение цикловой подачи топлива. Однако это не является
лимитирующим фактором, так как за счет меньшего поверхностного натяжения и вязкости ДМЭ легче обеспечивается его распыливание, а за счет высокого давления насыщенных паров эфир испаряется без видимой задержки. Важнее то, что возрастает продолжительность впрыскивания на номинальном режиме. Если за счет особых качеств ДМЭ удается избежать дымности ОГ, то затягивание впрыскивания ухудшает экономичность дизеля, а также не позволяет
Таблица 7
ТНВД различной размерности
Размерность ТНВД 10/10, НЗТА 10/14, РААЗ
Топливо ДТ ДМЭ* ДТ ДМЭ
Максимальное давление впрыскивания, МПа 41,2 26,2 53 35
Продолжительность подачи, град. п.к.в. 21,4 43,6 18,5 32,8
Запаздывание начала подачи, град. п.к.в. 11,2 23,4 5,24 20
Примечание. * В целях обеспечения мощности дизеля и его пуска давление начала впрыскивания снижено с 22 до 12 МПа.
а
Руб
400 35В
ю а
2519 200 194 ЮП 50
ДТ+ДМЭ^8005/т|
ДТ ДТ+ДМЭ
376 |
- 211
б
Рис. 10. Затраты на различные топлива для автомобиля ЗИЛ-47303А
«Бычок» на 100 км при разной стоимости ДМЭ: плановой стоимости ДМЭ (150 долл. США за 1 т) и нынешней (800 долл. США за 1 т). Работа на чистых топливах (а) и смесях (б)
бороться с присущей сгоранию ДМЭ высокой эмиссией СО и СНх. Предлагаемые выходы из этого положения - увеличение сечения сопел распылителя или снижение давления впрыскивания - не соответствуют потребностям универсального двухтопливного дизеля.
Некоторый компромисс был найден при переходе на ТНВД большей размерности, который позволяет улучшить параметры подачи для обоих топлив. Так, при
использовании нового ТНВД производства Рославльского автоагрегатного завода (РААЗ) с увеличенным ходом плунжера Ьпл=14 мм (размерностью 10/14 мм вместо 10/10) удалось сократить продолжительность подачи до приемлемого для обоих топлив уровня (табл. 7).
В соответствии со схемой подачи смесей ДТ и ДМЭ, реализованной в МГТУ им. Баумана, указанные проблемы топливоподачи не являются критичными. Более того, в выбранной схеме подачи при содержании ДМЭ в смеси до 15-30% потребовались минимальные подстройки автоматического регулятора, что позволяло регулировать ТНВД, как и при работе на дизельном топливе. Наладка и регулировка системы топливоподачи с КИП производилась на безмоторных топливных стендах на чистом ДТ. Это оказалось возможным, поскольку как при работе на ДТ, так и с подпиткой нагнетательного топливопровода ДМЭ эквивалентные по тепловым единицам подачи топлива отличаются мало, и сохраняется внешняя скоростная характеристика. Подача ДМЭ производилась с помощью 10-литрового баллона со сжатым азотом. Рампа, электроклапаны, КИП размещались в моторном отсеке (рис. 8), баллон с азотом, баллон с ДМЭ с муль-тиклапаном, заправочной горловиной, ультразвуковым бесконтактным датчиком уровня ДМЭ устанавливались на раме.
Для исследования предложенной системы топливоподачи был переоборудован собственный автомобиль-рефрижератор ЗиЛ-47303А, причем ДМЭ применялся как для питания дизеля, так и в качестве хладагента в холодильной установке (рис. 9). Работа проведена группой специалистов кафедр «Поршневые двигатели» и «Холодильная техника» МГТУ им. Н.Э. Баумана. При переходе с ДТ на ДМЭ отмечено сохранение мощности дизеля, практически эквивалентный (с учетом разности теплоты сгорания ДМЭ и ДТ) расход топлива и неизменность динамических качеств автомобиля, снижение вредных веществ в кабине автомобиля и на выпуске в атмосферу.
Пробег экспериментального автомобиля МГТУ им. Н.Э. Баумана составил более 160 тыс. км, из них около 50% автомобиль передвигался по улицам города. Средняя скорость автомобиля при движении за городом составила 70 км/ч, а при движении по улицам города - приблизительно 15 км/ч. С учетом необходимости обеспечения требуемых экологических показателей, стоимости эксплуатации (рис. 10) и ряда других факторов оптимальной долей ДМЭ признаны 25-35% по объему. Путевой расход ДТ экспериментальным автомобилем при движении в городе составил 17 л/100 км, при движении за городом - около 13 л/100 км. При использовании смесевого топлива путевой расход ДМЭ при движении за городом составил примерно 7,4 л/100 км, что с учетом более низкой плотности и теплотворной способности ДМЭ в сравнении с ДТ эквивалентно 4 л/100 км ДТ. При этом
Рис. 12. Непрозрачность ОГ при работе автомобиля ЗИЛ-47303А с системой МГТУ им. Н.Э. Баумана на режиме максимальной частоты холостого хода: на ДТ и на смеси ДТ с 10% ДМЭ (а), в зависимости от давления подачи ДМЭ (б)
путевой расход ДТ составил около 9 л/100 км. Таким образом, приведенный с учетом более низкой плотности и теплотворной способности ДМЭ суммарный расход смесе-вого топлива составил приблизительно те же 13 л/100 км (рис. 11). Приведенные цифры укладываются в «Нормы расхода топлив и смазочных материалов на автомобильном транспорте» для автомобиля ЗИЛ-47303А.
На протяжении всего срока эксплуатации экспериментального автомобиля периодически брались пробы ОГ дизеля для определения содержания вредных веществ. Даже при самых малых добавках ДМЭ (10%) выявлено снижение дымности (непрозрачности) ОГ в 3-4 раза при свободном ускорении и более чем в 3 раза - на режиме максимальной частоты холостого хода (рис. 12). Чем больше доля ДМЭ, тем ниже дымность ОГ, причем эффект снижения дымности ОГ наиболее заметен при малых содержаниях ДМЭ в сме-севом топливе.
Необходимо еще раз отметить причины, позволяющие значительно снизить дымность ОГ при использовании ДМЭ в качестве моторного топлива. Наличие кислорода в молекуле ДМЭ улучшает сгорание в условиях дефицита воздуха - в первую очередь на режимах максимальной нагрузки. Немаловажную роль в снижении дымности играет повышенная испаряемость ДМЭ. Под действием высоких температур легкокипящая фракция ДМЭ способствует разрушению капель смесевого топлива, улучшая гомогенность смеси, увеличивая полноту сгорания и снижая дымность ОГ.
Автомобиль-рефрижератор ЗИЛ-47303А «Бычок», снабженный системой подачи смесевых топлив МГТУ им. Н.Э. Баумана, был испытан ГУП «НИЦИАМТ» по типовым методикам. Контролю подвергались следующие параметры: содержание вредных веществ в кабине автомобиля, расход
топлива, скоростные и динамические качества автомобиля, содержание вредных веществ в ОГ. Содержание вредных веществ в кабине автомобиля не превышало нормативы ГОСТ Р51206 на содержание оксида углерода, суммарного количества углеводородов, оксидов азота и акролеина. Выявлено сохранение или улучшение экономических показателей автомобиля, работающего на смесевом топливе. При этом было обнаружено примерное сохранение мощности и максимальной скорости автомобиля, снижение эмиссии вредных веществ.
Питание дизеля смесевым топливом позволило не только снизить токсичность ОГ и улучшить экономические показатели, но и уменьшить шумность работы дизеля ввиду большего цетанового числа ДМЭ. За счет подачи ДТ, как основного компонента смесевого топлива, удалось сохранить высокое давление и малую продолжительность впрыскивания, оставить без изменения базовую топливную аппаратуру, обеспечить практическую простоту перехода на чистое ДТ, а также увеличить суммарный пробег автомобиля без заправки.
Позднее этой системой топливоподачи были оборудованы 10 автомобилей-рефрижераторов ГУП «Мосавто-холод». За год эксплуатации были выявлены и устранены недостаточно надежные технические решения (крепление рампы, трубки подачи от баллона, сварное соединение в КИП). В целом были подтверждены целесообразность, эффективность, живучесть переоборудованных автомобилей, их пригодность для работы в обычном для средней полосы диапазоне температур, включая температуры ниже -25°С. Представленная концепция системы топливоподачи МГТУ им. Н.Э. Баумана, заключающаяся в питании дизеля смесью ДТ и ДМЭ, имеет следующие преимущества:
■ Экономия эксплуатационных затрат на топливо (при доле ДМЭ 28% по объему или 22% по массе в ценах 2004 г. - в 3,7 раза).
■ Применение чистого ДМЭ не оправдано действующими экологическими нормативами.
■ С точки зрения снижения дымности ОГ наибольшая относительная эффективность использования ДМЭ наблюдается при его малом содержании в смеси.
■ Лучшие показатели по выбросам несгоревших углеводородов СНх и тот же уровень выбросов оксидов азота N0 .
X
■ Отсутствие потребности в дорогих импортных анти-износных присадках.
■ Простота переоборудования находящихся в эксплуатации автомобилей (использование базовых ТНВД и форсунок и даже сохранение регулировок автоматического регулятора).
■ Простота обслуживания и ремонта топливной аппаратуры в условиях предприятия.
зеля.
теля.
Сохранение ресурса топливной аппаратуры и ди-
Отсутствие проблемы остановки и запуска двига-
■ Ненужность вентиляции картера ТНВД.
■ Увеличенный запас хода.
■ Сохранение живучести автомобиля при отсутствии ДМЭ или неисправностях в системе его подачи.
Вместе с тем, работы специалистов МГТУ им. Н.Э. Баумана показали, что наиболее перспективным подходом к задаче расширения использования ДМЭ является создание нового поколения дизелей, использующих компромиссные технические решения, касающиеся механических элементов двигателя и системы электронного управления, а также оптимизация рабочего процесса. В отношении системы топливоподачи, требующей наибольших изменений в соответствии с новыми условиями работы, на перспективу наиболее целесообразна система типа Соттоп-РаП.
Литература
1. Марков В.А., Гайворонский А.И., Грехов Л.В. и др.
Работа дизелей на нетрадиционных топливах: Учебное пособие. - М.: Изд-во «Легион-Автодата», 2008. - 464 с.
2. Zhou Longbao, Wang Hewu, Jiang Deming et al. Study of Performance and Combustion Characteristics of a DME-Fu-eled Light-Duty Direct-Injection Diesel Engine. - SAE Technical Paper Series. 1999. № 1999-01-3669. - P. 1-7.
3. Sato Y., Noda A., Sakamoto T. et al. Performance and Emission Characteristics of a DI Diesel Engine Operated on Dimetyl Ether Applying EGR with Supercharging. - SAE Technical Paper Series. 2000. № 2000-01-1809. - P. 1-8.
4. Bailey B., Goguen J.E.S., Erwin J. Diethyl Ether (DEE) as a Renewable Diesel Fuel. - SAE Technical Paper Series. 1997. № 972978. - P. 1-10.
5. Curran H.J, Fisher E.M., Glaude P.A. et al. Detailed Chemical Kinetic Modeling of Diesel Combustion with Oxygenated Fuels. - SAE Technical Paper Series. 2001. № 2001-010653. - P. 1-8.
6. Miyamoto N., Ogawa H., Nurun N.M. et al. Smokeless, Low NOx, High Thermal Efficiency and Low Noise Diesel Combustion with Oxygenated Agents as Main Fuel. - SAE Technical Paper Series. 1998. № 980506. - P. 1-7.
7. Yamamoto T., Matsumoto I. Fuel Performance of Gas Oil Containing Alcohols and Ethers. - Nenryo Kyokai-Shi = Journal of the Fuel Society of Japan. 1983. Vol. 62. № 1. - P. 32-42.
8. Moriya S., Yaginuma F., Watanabe H. et al. Utilization of Ethanol and Gas Oil Blended Fuels for Diesel Engine (Addition of Decanol and Isoamyl Ether). - SAE Technical Paper Series. 1999. № 1999-01-2518. - P. 1-4.
9. Edgar B.L., Dibble R.W., Naegeli D.W. Autoignition of Dimethyl Ether and Dimethoxy Methane Sprays at High
Pressures. - SAE Technical Paper Series. 1997. № 971677. - P. 1-10.
10. Ogawa H., Nabi M.N., Minami M. et al. Ultra Low Emissions and High Performance Diesel Combustion with a Combination of High EGR, Three-Way Catalyst, and a Highly Oxygenated Fuel, Dimethoxy Methane (DMM). - SAE Technical Paper Series. 2000. № 2000-01-1819. - P. 1-7.
11. Vertin K.D., Ohi J.M., Naegeli D.W. et al. Methylal and Methylal-Diesel Blended Fuels for Use in Compression-Ignition Engines. - SAE Technical Paper Series. 1999. № 1999-01-1508.
- P. 1-8.
12. Tamanouchi M., Akimoto T., Aihara S. et al. Effects of DGM and Oxidation Catalyst on Diesel Exhaust Emissions.
- SAE Technical Paper Series. 1999. № 1999-01-1137. - P. 1-14.
13. Hyun G., Oguma M., Goto S. Spray and Exhaust Emission Characteristics of a Biodiesel Engine Operating with the Blend of Plant Oil and DME. - SAE Technical Paper Series. 2002. № 2002-01-0864. - P. 1-9.
14. Uchida M., Akasaka Y. A Comparison of Emissions from Clean Diesel Fuels. - SAE Technical Paper Series. 1999. № 1999-01-1121. - P. 1-6.
15. Murayama T., Chikahisa T., Guo J. A Study of a Compression Ignition Methanol Engine with Converted Dimethyl Ether as an Ignition Improver. - SAE Technical Paper Series. 1992. № 922212. - P. 1-7.
16. Kajitani S., Chen Z.L., Oguma M. et al. Direct Injection Diesel Engine Operated with Propane-DME Blend Fuel. - SAE Technical Paper Series. 1998. № 982536. - P. 1-9.
17. Chen Z., Konno M., Oguma M. et al. Experimental Study of CI Natural-Gas. - DME Homogeneous Charge Engine.
- SAE Technical Paper Series. 2000. № 2000-01-0329. - P. 1-10.
