CC BY
79
УДК 621.431.74.068.4:662.76
Г. А. Джихинто Астраханский государственный технический университет
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ТОПЛИВ КАК СПОСОБ СНИЖЕНИЯ УРОВНЯ ТОКСИЧНОСТИ ВЫБРОСОВ СУДОВЫ1Х ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
В настоящее время в наибольшей степени окружающую среду загрязняют выхлопы двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Ни атомная энергетика, ни промышленность не дают такого объема выбросов, как ДВС. Именно поэтому к специфическим задачам эксплуатации судовых энергетических установок относятся предотвращение образования и нейтрализация экологически опасных веществ, образующихся при использовании нефтяных топлив. В результате сгорания топлива образуются углекислый газ С02, окислы серы - 802 и 803, водяные пары, оксиды азота N0,, и различные летучие вещества. Перенасыщение атмосферы углекислым газом ведет к так называемому парниковому эффекту. Кроме атмосферного воздуха, загрязнению от двигателей за счет утечек и разливов топлива, масла, охлаждающих жидкостей, организации несанкционированных открытых свалок из сменных компонентов двигателей, в первую очередь масляных фильтров, изношенных запчастей, судовой ветоши и т. д., подвергаются почва и вода [1]. Во всех странах растет число заболеваний, вызванных азотсодержащими соединениями бензопилена. Заболеваемость раком от выхлопных газов ежегодно увеличивается на 7 % [1-3]. В связи с этим в последнее время большое внимание уделяется снижению в продуктах сгорания вредных веществ, особенно оксидов азота К0х [2-5]. Если не предпринять соответствующих мер, то в ближайшие 50 лет территория планеты окажется непригодной для жизни человека. Усилия ученых, физиков и химиков, направлены в настоящее время на поиск альтернативного топлива - дешевого, калорийного и экологически чистого [2, 3]. Кроме традиционных топлив, уже применяют альтернативные топлива, в том числе спиртосодержащие, которые в дизелях, правда, находят ограниченное применение. Их использование возможно только при обеспечении воспламенения запальной дозой дизельного топлива (ЗДДТ), поскольку теплотворная способность спиртов приблизительно в 2 раза меньше, чем таковая у дизельного топлива (ДТ); низка также склонность и к воспламенению: цетановое число (ЦЧ) около 3 единиц (у дизельного топлива - 45-57). Наличие кислорода в составе молекулы спиртов приводит к низкому сажеобразованию. Эмиссия же КОх, несмотря на наличие в спиртах кислорода, не возрастает, а снижается в связи со сниженной температурой горения. В последнее время большой интерес вызывает диметиловый эфир (ДМЭ). Благодаря своим физико-химическим характеристикам, он может применяться в дизелях без использования ЗДДТ. Диметиловый эфир обладает целым рядом преимуществ по сравнению с другими альтернативными топливами и даже ДТ [5].
Использование диметилового эфира в качестве топлива для ДВС
В Астраханском государственном техническом университете на кафедре «Эксплуатация водного транспорта» проводятся экспериментальные исследования по использованию ДТ и ДМЭ в судовых ДВС. Цель работы - оценка токсичности выхлопных газов при использовании ДМЭ:
— при смешивании с ДТ;
— в качестве присадки в ДТ;
— в качестве основного топлива.
Исследования проводятся для судового вспомогательного дизеля 1Ч17,5/24, жёстко связанного с генератором переменного тока, который является нагрузочным устройством, питает нагреватель воздуха, состоящий из стандартных электронагревательных элементов ТЭН-400. Дизель, установленный в лаборатории тепловых двигателей кафедры, переоборудован в одноцилиндровый отсек. Поршневая группа, шатун сняты с 1 и 3-го цилиндров. При этом маслоподводящие отверстия в коленчатом вале (КВ) заглушены. На двигателе работает только одна цилиндровая секция [6].
Основные технические данные дизеля
Номинальная эффективная мощность..................................... ре = 15,33 кВт
Номинальная частота вращения КВ...................................... п = 630 об/мин
Среднее эффективное давление на номинальном режиме................... ре = 0,535 МПа
Максимальное давление сгорания....................................... ртах = 5,2 МПа;
Средняя скорость поршня.............................................. Ст = 5,05 м/с
Номинальная степень сжатия........................................... 8 = 14,85
Удельный расход топлива на номинальной мощности...................... Ье = 245 + 10 % г/(кВт • ч) [6].
Для эксперимента было разработано несколько способов подачи ДМЭ в цилиндр двигателя 1417,5/24.
1. Подача ДМЭ с воздухом в цилиндр двигателя.
Баллон 50 л с Л М3, р =7 бар
Проставка-сместитель
У Смесь ЦМЗ і
Рис. 1. Схема подачи ДМЭ с воздухом
В состав системы входят: баллон вместимостью 50 л с рабочим давлением 1,6 МПа; запорный клапан; газовый редуктор, выдающий давление на выходе 0,1 МПа; регулировочный клапан; проставка; смеситель; вакуумная трубка, соединяющая всасывающий коллектор двигателя и газовый редуктор. В зависимости от положения диафрагмы подаётся необходимое количество газа. Расход воздуха двигателем определяется дифференциальным манометром на всасывающем ресивере. При открытии запорного клапана ДМЭ в жидкой фазе под давлением около 0,7 МПа подаётся в 2-ступенчатый редуктор, где давление понижается до 0,1 МПа, что приводит к переходу жидкой фазы ДМЭ в паровую (газовую). Регулировка процентного соотношения смеси воздуха и ДМЭ осуществляется посредством регулирующего клапана. При работе двигателя смесь через проставку-смеситель подаётся во всасывающий коллектор двигателя [5, 7].
2. Транзитная система подачи ДМЭ в цилиндр двигателя.
Рис. 2. Схема транзитной системы подачи ДМЭ в цилиндр двигателя
Система состоит из следующих элементов: баллон вместимостью 50 л с рабочим давлением 1,6 МПа; запорный клапан; фильтр; топливоподкачивающий насос; запорный клапан; топливный насос высокого давления (ТНВД); форсунка; манометры; магистраль отсечек. При
открытии запорного клапана на всасывающей магистрали подкачивающего насоса ДМЭ после фильтра тонкой очистки под давлением приблизительно 0,7 МПа поступает в насос. Подкачивающий насос служит для снижения пульсации потока жидкости во всасывающей магистрали ТНВД. Всасывающая магистраль ТНВД является нагнетательной магистралью подкачивающего насоса. Топливным насосом высокого давления ДМЭ подаётся через форсунку в цилиндр двигателя. Все отсечки диметилового эфира от форсунки и ТНВД отводятся во всасывающую магистраль подкачивающего насоса [6-8].
3. Тупиковая система подачи ДМЭ в цилиндр двигателя.
Рис. 3. Схема тупиковой системы подачи ДМЭ в цилиндр двигателя
Данная система подачи ДМЭ включает в себя следующие элементы: баллон вместимостью 50 л с рабочим давлением 1,6 МПа; запорный клапан; фильтр; топливоподкачивающий насос; запорный клапан; ТНВД; форсунка; манометры; магистраль отсечек. При открытии запорного клапана на всасывающей магистрали подкачивающего насоса ДМЭ после фильтра тонкой очистки под давлением приблизительно 0,7 МПа поступает в насос. Подкачивающий насос служит для снижения пульсации потока жидкости во всасывающей магистрали ТНВД. Всасывающая магистраль ТНВД является нагнетательной магистралью подкачивающего насоса. Топливным насосом высокого давления ДМЭ подаётся через форсунку в цилиндр двигателя. Отличием тупиковой системы подачи от транзитной является то, что отсутствует магистраль отсечки ДМЭ от ТНВД [6-8].
Заключение
Разработанные схемы подачи ДМЭ в судовые ДВС позволяют оценить экологические и эксплуатационные характеристики двигателей при их работе на ДМЭ.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Система питания для двигателя внутреннего сгорания / http://www.energobaza.ru.
2. Акобия Ш. Е., Смирнова Т. Н. Перспективы снижения вредных выбросов при применении диметил-эфира // Грузовик и автобус, троллейбус, трамвай. - 1999. - № 2. - С. 27-29.
3. Филиппов А. З. Токсичность отработавших газов тепловых двигателей. - Киев: Высш. шк., 1980. - 160 с.
4. Горбунов В. В., Патрахальцев Н. Н. Токсичность двигателей внутреннего сгорания: Учеб. пособие. -М.: Изд-во РУДН, 1998. - 214 с.
5. Рыжих Н. Е. Способы уменьшения выброса двигателями внутреннего сгорания токсичных газов в атмосферу // Науч. электр. журнал КубГАУ. - 2004. - № 7 (05) /http:ej.kubagro.ru.
6. Покусаев М. Н. Судовое главное энергетическое оборудование: Метод. указания к лабораторной работе «Испытание дизеля 3Ч 17,5/24 (3КУБ 24) по нагрузочной характеристике» для студентов специальности 140200 «Проектирование и монтаж судовых энергетических установок». - Астрахань: АТИРПХ, 1989. - 22 с.
7. Экологически чистый ДВС и необходимая для его эксплуатации инфраструктура. - 2005 / http://www.inno.ru.
8. Подача и распыливание топлива в дизелях / И. В. Астахов, В. И. Трусов, Хачиян А. С. и др. - М.: Машиностроение, 1972. - 360 с.
Статья поступила в редакцию 21.11.2006
THE APPLICATION OF ALTERNATIVE FUELS AS A WAY TO REDUCE THE LEVEL OF EMISSION TOXICITY OF SHIP INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
G. A. Dzhikhinto
The estimation of exhaust gases toxicity while operating of a ship auxiliary diesel engine 1NVD24 is done in the paper. Dimethyl ether is used as fuel: for mixing with diesel fuel; as an additive with diesel fuel; and as basic fuel. Three ways of dimethyl ether delivery into the engine cylinder are developed: dimethyl ether with air; transit system of dimethyl ether; and deadlock system of dimethyl ether, which allow to estimate ecological and operational characteristics of engines at their work on dimethyl ether.
