CC BY
20Исследование токсичности дизелей, работающих на различных альтернативных топливах и режиме максимального крутящего момента
I
В.А. Лиханов, профессор, зав. кафедрой ФГБОУ ВО «Вятская ГСХА», д.т.н., О.П. Лопатин, доцент кафедры ФГБОУ ВО «Вятская ГСХА», к.т.н.
В работе представлены исследования нагрузочных характеристик токсичности дизельных двигателей, работающих на различных альтернативных топливах. На основании проведённых лабораторно-стендовых исследований рабочих процессов дизельных двигателей установлена возможность улучшения их экологических показателей, экономии нефтяного дизельного топлива путём применения таких альтернативных источников энергии как природный газ, метаноло-топливная эмульсия (МТЭ), этаноло-топливная эмульсия (ЭТЭ), метанол и метиловый эфир рапсового масла (МЭРМ).
__Ключевые слова:
дизель, газомоторное топливо, метанол, этанол, эмульсия, метиловый эфир рапсового масла, токсичность, отработавшие газы.
П
роизводство дизелей - одно из приоритетных направлений в машиностроении, поскольку оно обеспечивает решение целого ряда проблем: научно-технических, экономических, экологических, оборонных и других. Поскольку характеристики дизеля являются определяющими показателями эксплуатационных, энергетических, экономических, экологических и массо-габаритных свойств эксплуатируемой техники, то дизель ещё долгое время будет оставаться безальтернативной энергетической установкой [1, 2].
Необходимо отметить, что наметившаяся в последние годы тенденция по укреплению обороноспособности страны имеет не только стратегическое значение для Российской Федерации, но и непосредственно влияет на развитие и производство силовых установок для всего автотранспортного парка страны, достаточно немалая доля которого оснащена силовыми установками - дизельными двигателями. При современном перспективном развитии дизельных двигателей предполагается не только их топливная экономичность, но и минимизация выбросов вредных веществ с отработавшими газами (ОГ): оксидов азота (N0.^), сажи (С), суммарных углеводородов (СН), оксида углерода (СО) и диоксида углерода (СО2) [3, 4].
Мировой опыт решения экологических проблем, связанных с использованием дизельных двигателей, позволил выработать многочисленные пути для этого,
в том числе и перевод на альтернативные топлива. Кроме того, постепенное ужесточение законодательных норм по ограничению эмиссии указанных токсичных компонентов ОГ дизелей, а также ограниченные запасы природных ресурсов способствуют активизации поиска новых альтернативных топлив и совершенствования топливных систем для правильной организации процесса сгорания этих топлив в дизелях. При этом всё более массовое применение находят не только газомоторные топлива, но и альтернативные биотоплива, основанные на спиртах (метиловый, этиловый) и растительных маслах (рапсовое, подсолнечное, соевое, арахисовое, пальмовое), а также их производные [5, 6].
Работу дизелей, служащих для привода транспортной техники, принято оценивать по нагрузочным характеристикам при постоянной частоте вращения коленчатого вала (КВ). При этом в качестве параметров, характеризующих нагрузку дизеля, могут быть использованы эффективная мощность, крутящий момент или среднее эффективное давление.
Рис. 1. Нагрузочные характеристики токсичности дизеля 4Ч 11,0/12,5 (0впр = 23°, п = 1700 мин-1):
2*
ЛЕТ С ВАМИ
59
- дизельное топливо; - газомоторное топливо;
------газомоторное топливо с EGR 10 %;--------газомоторное топливо с EGR 20 %;
----газомоторное топливо с EGR 30 %;..........- газомоторное топливо с EGR 40 %
СН,%
0,4 0,3 0,2 0,1 о
со, % 0,06 0,05 0,04
0,1
0,3
0,5
N о*
. — ■ - —
ч - - — - —
"ч.
X "*ч С н
с
_
■ — . ~ - -- с О
**
ЫОх.ррт 210 190 170
с,
ЬоэсИ
2
1 о
0,7 рр, МПа
Рис. 2. Нагрузочные характеристики токсичности дизеля 4ЧН 11,0/12,5 (0впр = 11°, п = 1900 мин-1):
- дизельное топливо; - газомоторное топливо
При проведении стендовых исследований дизелей в число скоростных режимов почти всегда, кроме номинального, характеризующего заявленное изготовителем двигателя значение частоты вращения КВ, при которой обеспечиваются номинальная (нетто) и эксплуатационная (брутто) мощности, входит и характерный промежуточный режим, характеризующийся частотой вращения коленчатого вала дизеля, соответствующей режиму максимального крутящего момента, если данный режим лежит в диапазоне частоты вращения КВ от 60 до 75 % от номинальной. Максимальный крутящий момент характеризуется наибольшим значением крутящего момента дизеля при работе последнего по внешней скоростной характеристике.
Значение максимального крутящего момента характеризует так называемый коэффициент приспособляемости дизеля, от которого в свою очередь зависят его тяговые свойства и устойчивая работа под нагрузкой.
Целью данной работы является изучение показателей токсичности и дымно-сти ОГ высокооборотных дизельных двигателей малой размерности, работающих на различных альтернативных топливах на режиме максимального крутящего момента.
Рис. 3. Нагрузочные характеристики токсичности дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с охлаждением наддувочного воздуха (0впр = 11°, п = 1700 мин-1):
- дизельное топливо;
газомоторное топливо
В Вятской государственной сельскохозяйственной академии на базе кафедры тепловых двигателей, автомобилей и тракторов проведены исследования и разработаны модификации следующих дизелей: Д-240 (4Ч 11,0/12,5) для работы на газомоторном топливе (80 % природный газ, 20 % дизельное топливо), спиртосодержащих топливах - МТЭ, ЭТЭ, состоящие из 25 % спирта (метанол либо этанол), 0,5 % сукцинимида С-5А, 7 % воды, 67,5 % дизельного топлива (ДТ); Д-245.12С (4ЧН 11,0/12,5) с турбонаддувом, Д-245.7 (4ЧН 11,0/12,5) с охлаждением наддувочного воздуха для работы на газомоторном топливе; Д-21А1 (2Ч 10,5/12,0) для работы на метаноле (88 %) и МЭРМ (12 %) [7-10].
Для оценки токсичности и дымности ОГ дизеля при работе на тех или иных режимах используют характеристики токсичности. При эксплуатации дизелей наиболее часто изменяемыми параметрами являются нагрузка и частота вращения [10].
На рис. 1 представлены нагрузочные характеристики токсичности дизеля, работающего на газомоторном топливе на скоростном режиме, соответствующем максимальному крутящему моменту.
2*
ЛЕТ С ВАМИ
61
N0*, ррт
1000
500
О
С,
ЬозсИ
6 4 2 0
СО, % 0,20 0,15 0,10 0,05
N О,
___ __ —
.__ С н
с
г
С 02
___.
с О / /
■___ У
сн,%
0,6 0,4 0,2
со2)% 8 6 4 2
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Рй, МПа
Рис. 4. Нагрузочные характеристики токсичности дизеля 4Ч 11,0/12,5 (0впр = 23°, п = 1700 мин-1):
- дизельное топливо; — —--МТЭ
Анализируя графики содержания токсичных компонентов при работе двигателя на газомоторном и газомоторном с рециркуляцией отработавших газов (EGR) режимах, можно отметить, что характер кривых в целом схож с дизельным процессом. Применение газомоторного топлива приводит к значительному снижению содержания в ОГ сажи, СО2 и СО (при нагрузке выше 0,57 МПа), при этом отмечается рост N0^ СН и СО (при малых нагрузках). Применение EGR снижает содержание N0.^ в ОГ во всём диапазоне нагрузок. Так, при работе на газомоторном топливе с EGR 40 % в диапазоне изменения нагрузки от 0,13 до 0,26 МПа происходит снижение N0.^ от 2,1 до 2,7 раза. Применение 10%-ной EGR приводит к снижению содержания СН в ОГ газодизеля до 11,8 %, а применение EGR в размере 20 % вызывает уже увеличение содержания СН.
На рис. 2 представлены нагрузочные характеристики токсичности дизеля с турбонаддувом, работающего на газомоторном топливе, при частоте вращения, соответствующей максимальному крутящему моменту.
Из рис. 2 хорошо видно, что при переходе с дизельного топлива на газомоторное происходит снижение в ОГ содержания N0.^ и сажи, но при этом наблюдается рост содержания СН и СО.
Рис. 5. Нагрузочные характеристики токсичности дизеля 4Ч 11,0/12,5 (©впр = 23°, п = 1700 мин-1):
- дизельное топливо; — — — ЭТЭ
На рис. 3 представлены нагрузочные характеристики токсичности дизеля с охлаждением наддувочного воздуха, работающего на газомоторном топливе, на режиме максимального крутящего момента.
Анализируя изменение содержания токсичных компонентов в ОГ дизеля с охлаждением наддувочного воздуха при переходе с дизельного топлива на газодизельный режим необходимо отметить, что при работе дизеля на газомоторном топливе во всём нагрузочном диапазоне значительно снижается содержание оксидов азота N0.^ и дымности ОГ, при этом отмечается увеличение других исследуемых токсичных компонентов.
На рис. 4 и 5 представлены нагрузочные характеристики токсичности дизеля, работающего на МТЭ и ЭТЭ, на скоростном режиме, соответствующем максимальному крутящему моменту.
Сравнивая содержание токсичных компонентов в ОГ дизеля при работе на дизельном топливе и спирто-топливных эмульсиях (рис. 4 и 5), можно отметить, что применение на дизеле МТЭ и ЭТЭ приводит к снижению содержания сажи, N0^ СО2 и СО (при средних и максимальных нагрузках).
На рис. 6 представлены нагрузочные характеристики токсичности дизеля,
2*
ЛЕТ С ВАМИ
63
тйгч
N0*, ррт
600 400 200
со21% 8 6 4
с, 2
Ьс^сИ
6 4 2
N 0Х /
✓
✓
___ —■-
ч
С н
С 02 —- ----
/
/
■ - -. — . с о
---
с
— ■ —
сн,%
0,4 0,2 0
СО, %
0,6 0,4 0,2
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 рр, МПа
Рис. 6. Нагрузочные характеристики токсичности дизеля 2Ч 10,5/12,0 (п = 1400 мин '): - дизельное топливо (0впр = 30°);
------ метанол и МЭРМ (0впр = 34°)
работающего на метаноле и МЭРМ, на скоростном режиме, соответствующем максимальному крутящему моменту.
Как видно из рис. 6, у дизеля, работающего на метиловом спирте и МЭРМ, наблюдается снижение выбросов сажи и N0.^ во всём исследуемом нагрузочном диапазоне, причём с увеличением нагрузки снижение выбросов сажи становится более существенным, что характеризуется более полным её выгоранием. Также необходимо отметить снижение оксида и диоксида углерода на максимальных нагрузках.
Выводы
На основании проведённых лабораторно-стендовых исследований рабочих процессов дизелей Д-240 (4Ч 11,0/12,5), Д-245.12С (4ЧН 11,0/12,5) с тур-бонаддувом, Д-245.7 (4ЧН 11,0/12,5) с охлаждением наддувочного воздуха и Д-21А1 (2Ч 10,5/12,0) установлена возможность улучшения их экологических показателей, экономии дизельного топлива путём применения различных альтернативных топлив - природного газа, МТЭ, ЭТЭ, метанола и МЭРМ.
2*
лет с ВАМИ
При работе дизеля на газомоторном топливе с EGR 20 % происходит снижение содержания в ОГ сажи от 7,3 до 13,0 раз, N0X до 29,6 %, СО до 2,3 раза, СО2 от 28,6 до 42,3 %.
При работе дизеля с турбонаддувом на газомоторном топливе происходит сни- 65
жение содержания в ОГ сажи от 5,0 до 12,7 раза и N0X от 5,3 до 16,0 %.
При работе дизеля с охлаждением наддувочного воздуха на газомоторном топливе происходит снижение содержания в ОГ сажи до 11,0 раз, N0.^ от 12,9 до 25,7 %.
При работе дизеля на МТЭ происходит снижение содержания в ОГ сажи от 7,9 до 16,6 раза, N0X до 35,5 %, СО до 31,3 %, СО2 от 8,3 до 11,6 %.
При работе дизеля на ЭТЭ происходит снижение содержания в ОГ сажи от 5,7 до 7,7 раза, N0X до 43,9 %, СО до 37,5 %, СО2 от 14,8 до 22,6 %.
При работе дизеля на метаноле и МЭРМ происходит снижение содержания в ОГ сажи от 3,7 до 6,7 раза, N0X до 46,1 %, СО до 6,5 раза, СО2 до 17,5 %.
_Использованные источники
1. Starik A.M., Savelev A.M., Favorskii O.N., Titova N.S. Analysis of emission characteristics of gas turbine engines with some alternative fuels // International Journal of Green Energy. - 2018. - Vol. 15. - No. 3. - P.161-168.
2. Presser C., Nazarian A., Millo A. Laser-driven calorimetry measurements of petroleum and biodiesel fuels // Fuel. - 2018. - Vol. 214. - P. 656-666.
3. Mikulski M., Wierzbicki S. Numerical investigation of the impact of gas composition on the combustion process in a dual-fuel compression-ignition engine // Journal of Natural Gas Science and Engineering. - 2016. - Vol. 31. - P. 525-537.
4. Sivakumar M., Ramesh kumar R., Syed Thasthagir M.H., Shanmuga Sundaram N. Effect of aluminium oxide nanoparticles blended pongamia methyl ester on performance, combustion and emission characteristics of diesel engine // Renewable Energy. - 2018. -Vol. 116. - P. 518-526.
5. Chai X., Mahajan D., Tonjes D.J. Methane emissions as energy reservoir: context, scope, causes and mitigation strategies // Progress in Energy and Combustion Science. -2016. - Vol. 56. - P. 33-70.
6. Romanyuk V., Likhanov V.A., Lopatin O.P. Reducing the environmental threat of motor vehicles by converting engines for operating on natural gas // Теоретическая и прикладная экология. - 2018. - № 3. - С. 27-32.
7. Лиханов В.А., Лопатин О.П. Снижение токсичности отработавших газов автомобильного дизеля конвертацией на спирто-топливные эмульсии // Экология и промышленность России. - 2018. - Т. 22. - № 10. - С. 54-59.
8. Копчиков В.Н., Фоминых А.В. Влияние применения метанола и метилового эфира рапсового масла на содержание оксидов азота в отработавших газах дизеля 2Ч 10,5/12,0 в зависимости от изменения установочных углов // Научно-технический вестник Поволжья. - 2015. - № 1. - С. 107-110.
9. Фоминых А.В., Копчиков В.Н., Николаевский М.Д. Определение оптимальных установочных углов опережения впрыска метанола и метилового эфира рапсового масла дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе с двойной системой топливоподачи // Аграрный научный журнал. - 2015. - № 1. - С. 51-53.
10. Лиханов В.А., Лопатин О.П. Улучшение экологических показателей дизельных двигателей применением биотоплива // Двигателестроение. - 2018. - № 4 (274). - С. 13-17.
