Использование диметилового эфира в качестве добавки к дизельному топливу Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 800

В. А. ВАГНЕР А. М. ГВОЗДЕВ

Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДИМЕТИЛОВОГО ЭФИРА В КАЧЕСТВЕ ДОБАВКИ К ДИЗЕЛЬНОМУ ТОПЛИВУ__

В статье рассматривается возможность использования смеси традиционного дизельного топлива и диметилового эфира для питания быстроходных дизельных ДВС без вмешательства в их конструкцию с целью снижения токсичности выбросов автомобильного транспорта. Дан анализ влияния процентного содержания диметилового эфира и угла опережения впрыска на характеристики ДВС. Показана целесообразность и даны рекомендации по использованию предложенной смеси топлив.

Одна из острейших экологических проблем больших городов — прогрессирующее загрязнение их воздушного бассейна вредными выбросами двигателей внутреннего сгорания. Известные способы снижения токсичности двигателей, такие, как применение каталитической обработки выхлоцных газов, использование альтернативных топлив типа метанола, этанола, природного газа не приводят к радикальному решению указанной проблемы [ 1 -3 и др.] .Одним из выходов может стать работа двигателя на новом альтернативном топливе — диметиловом эфире (ДМЭ). Его благоприятные физико-химические показатели (табл. 1) способствуют полному устранению дымное-ти выхлопных газов и снижению их токсичности и шумности.

Однако различия в физико-химических свойствах ДМЭ и ДТ предполагают некоторые трудности при использовании ДМЭ в качестве топлива, а именно:

• более низкая теплота сгорания требует для получения равных энергетических показателей двигателя увеличения цикловой подачи почти в два раза по сравнению с дизельным топливом (ДТ);

• низкая вязкость ДМЭ обуславливает его плохие смазывающие свойства, что приводит к высокому из-

носу подвижных элементов топливной системы. Это предполагает введение в топливо антизадирных присадок. Этот показатель также предполагает высокий уровень утечек ДМЭ через зазоры в прецизионных парах. Соответственно из-за испарения утечек ДМЭ в топливной системе должна быть предусмотрена веш'иляция картеров двигателя и топливного насоса высокого давления (ТНВД) ;

• высокое давление насыщенных паров ДМЭ требует для исключения образования паровых пробок в линии питания поддержания высокого давления подкачки наряду с повышенной степенью рециркуляции отсеченного топлива. Трудность заключается и втом, что у ДМЭ зависимость давления насыщенных паров от температуры носит более ярко выраженный характер, чем у ДТ. При использовании ДМЭ также возрастает вероятность возникновения кавитацион-ных явлений в топливной системе;

• ДМЭ является химически агрессивным веществом к некоторым уплотняющим материалам и пластмассам, используемым в штатных топливных системах;

• сжимаемость ДМЭ, зависящая от температуры и давления, больше, чем у ДТ. Это вызывает затрудне-

Таблица1

Некоторые свойства дизельного и альтернативных топлив

Свойства ДМЭ ДТ метанол этанол метан

Теплотворная способность, МДж/кг 28.8 42.5 19.5 25.0 50.0

Плотность, г/см3 0.66 0.84 0.79 0.81

Цетановое число 55-60 40-55 3-5 8 -

Температура самовоспламенения, "С 235 250 450 420 650

Соотношение воздух/топливо 9.0 14.6 6.5 9.0 17.2

Точка кипения, "С -25 180-370 65 78 -162

Теплота испарения, кДж/кг, при 20 °С 410 250 1110 904

Пределвзрываемости в воздухе, объем,, % 3.4-18 0.6-6.5 5.5-26 3.5-15 5-15

Рис. 1. Зависимость вредных выбросов дизеля ВАЗ-Э41 по углу опережения впрыска, то пливо: ДТ+30 %ДМЭ, п=2500 мин 1

ния при впрыскивании ДМ Э при высоких температурах и на полных нагрузках при использовании штатных ТНВД.

Все вышеперечисленное затрудняет использование ДМЭ в качестве топлива для дизелей без глубокой модернизации топливной системы. Компромиссным вариантом может служить добавка ДМЭ в традиционное дизельное топливо. Это позволяет оставить без изменения штатную систему топливоподачи дизеля и в то же время использовать положительные качества ДМЭ, ведущие к снижению токсичности дизеля.

В Алтайском государственном техническом университете и на ОАО «АЛТАЙ-ЛАДА» проводятся исследовательские работы по использованию ДМЭ в качестве добавки к ДТ. В частности, были проведены эксперименты по переводу на смесь топлив дизеля ВАЗ-341.

Первый этап работ заключался в исследовании основных свойств топлив, полученных путем смешивания ДМЭ с ДТ. Полученные результаты позволяют сделать выводы о возможности применения таких топлив с добавкой до 30% ДМЭ при сохранении основных штатных элементов топливной системы. Отличия состоят в том, что топливо необходимо хранить в баллонах под давлением выше давления насыщенных паров смеси. При таких условиях смесь сохраняет свою стабильность в течение длительного времени. Эксперименты показали, что расслоение смеси не происходит как минимум в течении 120 часов. С учетом того, что при реальной эксплуатации будет постоянно происходить постоянное перемешивание смеси, время ее стабильности вполне достаточно для применения в условиях автопредприятия. При проведении сравнительных моторных испытаний двигателя при работе на смеси топлив и на традиционном дизельном топливе были сняты нагрузочные (при частоте вращения 2500 мин'1 и 4000 мин'1) и скоростная характеристики. Первые испытания показали, что

для стабильной работы ТНВД необходимо пода,ержа-ние давления подкачки в 1 МПа (для предотвращения образования газовой фазы), Данное давление было определено опытным путем и оно оказывается выше давления насыщенных паров смесевого топлива. Давление создавалось шестеренчатым насосом, приводимым в действие от электродвигателя постоянно^ го тока. Испытания показали, что при работе на смеси топлив с содержанием ДМЭ до 30% по массе при такой схеме топливоподачи дизель сохраняет свои мощностные показатели на уровне дизельного топлива. Величины приведенных в энергетическом отношении к ДТ удельных расходов смеси топлив были примерно такими же или несколько лучше, чем при работе двигателя на ДТ, эффективный КПД сопоставим с ДТ, на всех режимах было замечено снижение температуры отработавших газов. Следует отметить, что при этом было снижено усилие затяжки пружины форсунки с 15МПа в штатном режиме до 13 МПа при работе на смеси с содержанием ДМЭ в топливе 30%.

В процессе моторных испытаний были проведены замеры токсичности отработавших газов. Испытания проводились при следующих режимах: нагрузочная при частоте вращения 2500 мин"1; нагрузочная при частоте вращения 4000 мин"1. При этом установлено, что с введением в топливо ДМЭ резко снижается дымность отработавших газов (до 3 раз), причем это отмечено во всем диапазоне нагрузок и частот вращения коленчатого вала. Зависимость снижения дым-ности от содержания в топливе ДМЭ носит явно нелинейный характер, с ростом доли ДМЭ интенсивность уменьшения возрастает. Выбросы оксидов азота снизились на всех режимах, при которых проводились испытания (снижение до 30%). Однако наблюдается увеличение выбросов оксида углерода и углеводородов. При пробных пусках дизеля на топливах с содержанием 50 и 70% ДМЭ уровень дымности так же был зарегистрирован довольно низким (снижение по сравнению с ДТ примерно в 3,5-4,5 раза у топлива с 50%

ДМЭ и в 5-6 раз у топлива с 70% ДМЭ), хотя при этом эффективные параметры двигателя были крайне низкими. Для топлива с 30% ДМЭ были произведены замеры токсичности в зависимости от угла опережения впрыска (УОВ) при п = 2500 об/мин. Результаты представлены рис. 1.

Анализируя полученные результаты, можно отметить низкую чувствительность показателя дым-ности отработавших газов к изменению угла опережения впрыска. Малое количество сажи в отработавших газах и возможность установки окислительного нейтрализатора предопределяют целесообразность работы дизеля при использовании смеси топлив на относительно малых углах опережения впрыска.

Это позволит снизить выбросы оксидов азота и на больших нагрузках уменьшить концентрацию СН, обеспечить повышенную температуру отработавших газов для эффективной работы окислительного нейтрализатора. Выбросы СО при уменьшении УОВ на больших нагрузках существенно растут.

Следует отметить, что выбросы сажи при работе на дизельном топливе при уменьшении УОВ на больших нагрузках имеют схожую тенденцию. Этот факт подтверждает гипотезу об усилении процесса образования оксида углерода в переобогащенных зонах при недостатке внешнего окислителя в связи со снижением образования сажи.

Нежелательное возрастание образования СО при работе на смеси топлив на малых УОВ при средних и больших нагрузках, можно снизить проведением мероприятий по улучшению смесеобразования с целью устранения причин возникновения зон переобога-

щенных смесевым топливом, а также установкой окислительного нейтрализатора.

Таким образом, результаты испытаний дизеля ВАЭ-341 на смеси топлив показали, что при штатной топливной системе возможна работа двигателя на смесях с содержанием ДМЭ до 30% с сохранением основных эффективных показателей при значительном снижении дымности отработавших газов и сокращении выбросов оксидов азота. Работа дизеля при использовании смеси топлив должна быть ор саиизо-вана на относительно малых УОВ, что при незначительном увеличении дымности приводи-, к снижению выбросов оксидов азота и углеводородов. Нежелательное возрастание образования СО на малых УОВ при средних и больших нагрузках можно снизить путем проведения мероприятий по улучшению смесеобразования и установкой окислительного нейтрализатора.

Библиографический список

1. БрентМ.П. Теориядвигателей. М.: Изд-во «Дизайн-ПРО», 2004, - 120 с.

?.. Панов Ю.В. Уста',' вк д и эксплуатация газобаллонного оборудования автомобилей. М.: Изд-во «Академия», 2002. - 160 с.

3. Свиридов Ю. Б., МалявинскийЛ. В., ВихертМ.М. Топливо и топливоподача автотракторных дизелей. Л.: Машиностроение, 1979.-248 с.

Поступила в редакцию 06.06.06. © Вагнер В. А., Гвоздев А. М.

Книжная полка

Виноградов Б.А. Действие лазерного излучения на полимерные материалы / Б.А. Виноградов, Г.П. Мещерякова, К.Е. Перепелкин; Амур. гос. ун-т; С.-Петерб. гос. ун-т. — СПб.: Наука, 2006. - 50 л,

Монография посвящена рассмотрению структуры и физичебких (термических, оптических) свойств полимерных материалов, исследованию воздействия на них лазерного излучения различной интенсивности в ИК, видимом и УФ диапазонах, лазерным методам изучения их микро- и макроструктуры, научным основам лазерного нагрева, термической обработки, сварки, поверхностной и размерной обработки.

Для специалистов в области применения лазерных методов при изучении и обработке полимерных материалов, для преподавателей, аспирантов, студентов.

Годнева М.М. Химия подгруппы титана; сульфаты, фторосульфаты, фториды из вод. сред / М.М. Годнева, Д.Л. Мотов; Ин-т химии и технологии ред. элементов и минер, сырья. — М.: Наука, 2006. - 16 л.

В монографии рассмотрено фазообразование соединений подгруппы титана в сернокислых системах с разграничением их полей образования, установлением химического состава и характеристик - рефрактометрических, рентгенометрических, термических и ИК-спектроскопических. Для ряда соединений показаны структура с параметрами элементарных ячеек и виды химических связей. Сопоставлены все полученные к настоящему времени соединения, что позволило систематизировать и прогнозировать образование в фто-ридно-сульфатных системах не выделенных до сих пор соединений, относящихся к сульфато-, фторосуль-фато-, фторометаллатам с одновалентными и поливалентными катионами.

Для химиков, специалистов в области технологии редких элементов и минерального сырья.