CC BY
63
УДК 621.436.038.001
О ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ И ВОЗМОЖНОСТЯХ ПРИМЕНЕНИЯ В СУЩЕСТВУЮЩИХ ДИЗЕЛЯХ ДИМЕТИЛЭФИРА, КАК ДОБАВКИ К ОСНОВНОМУ ТОПЛИВУ
В. В. Горбунов, М. Н. Пономарёв, В. П. Шкаликова
Кафедра комбинированных ДВС Российского университета дружбы народов Россия, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6
Проведён анализ возможностей использования диметилового эфира в качестве альтернативного топлива для дизелей. Анализ выполнен с использованием результатов имитационных испытаний, где в качестве добавки к дизельному топливу использован сжиженный нефтяной газ.
Снижение токсичности и дымности дизелей - актуальная задача и одним из путей её решения является применение альтернативных, экологически более “чистых” топлив. Считается [1, 2], что диметиловый эфир (ДМЭ) для решения этой проблемы является наиболее перспективным дизельным топливом (ДТ).
ДМЭ представляет собой продукт синтеза СО и Нг и по своим свойствам является разновидностью сжиженного газа, близкого по ряду свойств к нефтяному сжиженному газу (ГСН) - пропану - бутану (см. табл.). Одно преимущество ДМЭ - высокие цетановые числа (ЦЧ) (55 ед, по сравнению с 20 ед. у ГСН). (Путём синтеза СО и Н2 известно получение и других жидких углеводородов, например лёгких синтетических парафиновых углеводородов (ЛСПУ - СпН2п, где п=5—10) и использование их в качестве добавки к ДТ [3]. Исследования показали высокую эффективность таких добавок к ДТ для снижения дымности и токсичности выбросов, благодаря высоким испаряемости, воспламеняемости и т. д.
Таблица
Физико-химические свойства ряда альтернативных топлив
Свойства ДМЭ Пропан Бутан ЛСПУ ДТ (3, ГОСТ 305-82)
Химическая формула С2Н60 СзН* С4Н10 СпНгп
Низшая теплота сгорания, МДж/кг 27,3 46,5 45,8 45,02 42,5
Цетановое число 55 18 22 60,5 47,3
Молекулярная масса 46,07 44,1 58,12 101,25 204,26
Плотность жидкой фазы при 20°С, кг/м3 668 585 600 690,7 828
Плотность газовой фазы (нормальные 1,59 2,019 2,703
атмосферные условия), кг/м3
Вязкость жидкой фазы, мм2/с 0,15 0,15 0,18 1,31 3,53
Давление насыщенных паров, при 20°С, 5,1 8,4 2,1 (0,069 при
бар 38°С)
Средняя температура кипения, °С -24,9 -42,1 -0,5 102,5 280
Температура самовоспламенения, °С. 235 470 400 380
Теплота испарения, кДж/кг 410, при 344 358 319 850
20°С
Стехиометрическое число, кг/кг 9,1 15,8 15,6 14,82 14,13
Скорость звука, при 20°С, м/с 860 800 900 1100 1260
Кроме того, имея кислород внутри молекулы (Н3С-О-СН3), сам ДМЭ является поставщиком кислорода в зону горения, что позволяет предположить, что повышенная интенсивность окисления топлива, состоящего целиком из этого вещества или при применении его совместно с ДТ, снизит образование сажистых и твёрдых частиц в процессе сгорания.
Очевидно, что жёсткость сгорания при работе на ДМЭ будет повышенной из-за высокой летучести (лёгкие фракции). Это приводит к необходимости делать более “мягким” процесс впрыскивания, менее интенсивным, может быть даже двухступенчатым или двухстадийным. В то же время привлекательность замены ДТ диметилэфиром заключается, в частности, в возможности отказаться от высоких давлений впрыскивания, применяемых в современных
Горбунов В.В., Пономарев М.Н. и др. Повышение динамических
27
топливных системах дизелей. Так, давление порядка 20 МПа, т.е. в 5-10 раз меньшее, чем у современных дизелей, обеспечивает высокое качество смесеобразования и достижение перечисленных выше эффектов, что связано с тем фактом, что ДМЭ имеет вязкость жидкой фазы и поверхностное натяжение в 20-40 раз ниже, чем ДТ при высокой испаряемости. Недостаток такого процесса с использованием существующей дизельной топливной аппаратуры - утечки ДМЭ, обладающего высокой текучестью и вытекающего из форсунки при стоянке дизеля даже при отсутствии давления в ЛВД. Следует также иметь в виду, что температура вспышки ДМЭ весьма низка, что определяет его повышенную взрыво- и по-жаропасность. Поэтому для обслуживания дизеля и его топливной аппаратуры потребуется более квалифицированный персонал, а выполнение работ следует осуществлять при повышенной интенсивности приточно-вытяжной вентиляции либо на открытых площадках.
В то же время свойства ДМЭ существенно отличаются от свойств стандартных ДТ. Плотность жидкой фазы у ДМЭ на 33% больше, чем у ГСН и на 20% ниже, чем у ДТ. ДМЭ обладает теплотой сгорания на 26% меньшей, чем ГСН и на 35% - чем ДТ (т.е. обеспечение той же мощности, что и у исходной модели дизеля, потребует повышения массовой цикловой подачи на 35%, а объемной - на 50 - 60%).
Для образования стехиометрической горючей смеси ДМЭ требует 9,1 кг воздуха на 1 кг топлива, в то время как для ГСН требуется 15,7, а для ДТ - 14,13 кг/кг.
Доказано, что применение ДМЭ позволит существенно снизить выбросы с ОГ твёрдых частиц, оксидов азота и углеводородов, уменьшить уровень шума и повысить надёжность систем нейтрализации и рециркуляции ОГ. Повышается возможность форсировки рабочего процесса по составу смеси без превышения установленного для ДТ предела дымления.
Стоимость ДМЭ при его массовом производстве может быть сравнима со стоимостью современных нефтяных топлив, а истощение не возобновляемых источников сырья ещё более повышает перспективность ДМЭ уже как заменителя традиционных топлив.
Перевод дизеля на работу на ДМЭ не требует существенного изменения его конструкции. Однако определённые сложности возникают при организации процесса топливоподачи топливными системами непосредственного действия разделённого типа. В то же время уже доказано, что организация процесса впрыскивания ДМЭ в жидкой фазе в цилиндры дизеля вполне осуществима [2].
Применение ДМЭ путём полной замены ДТ нефтяного происхождения - сравнительно далёкая перспектива, которая связана с необходимостью подготовки соответствующей инфраструктуры. Поэтому реальное использование ДМЭ скорее всего пойдёт по пути сначала частичной замены им ДТ. По аналогии с опытом разработки топливных систем для подачи в дизель ГСН в жидкой фазе можно предположить, что в начальной стадии применение ДМЭ целесообразно осуществлять как добавку к ДТ. В этом случае возможны принципиально два пути решения задачи: 1) подача смеси ДМЭ и ДТ — смесевого топлива на линии низкого давления (ЛНД) до ТНВД и 2) подача ДМЭ в ДТ в линии высокого давления (ЛВД), т.е. уже после ТНВД.
Первый путь может реализовываться, если смесевое топливо (ДМЭ+ДТ) заранее готовится в условиях соответствующего предприятия по его производству и хранится на борту автомобиля в баллонах по типу существующих газобаллонных автомобилей, использующих ГСН (обычно двухтопливные бензогазовые или газодизельные автомобили). В другом варианте ДМЭ и ДТ хранятся на борту автомобиля в разных ёмкостях, а перед подачей в ТНВД происходит их смешивание и затем впрыскивание полученного смесевого топлива в цилиндры.
Такие методы подачи ДМЭ имеют существенные недостатки. Так, хранение заранее приготовленной смеси ДТ и ДМЭ создаёт определённые проблемы. ДМЭ и ГСН имеют высокие и близкие по значениям давления насыщенных паров (например, при 1=50°С -порядка 10 бар). С учётом динамических, кавитационных процессов в ЛНД, возможности нагрева топлива, для обеспечения полной цикловой подачи смесевого топлива давление подкачки в существующих топливных системах должно составлять порядка 2,5 МПа для смеси из 50% ДТ и 50% ДМЭ.
Использование ДМЭ как добавки к ДТ путём её ввода в ЛВД причём, вблизи форсунки, возможно с помощью систем топливоподачи с клапаном регулирования начального давления (РНД) [4]. Как известно, в этом случае добавки (ДМЭ, ГСН, ЛСПУ и т.д.) вводятся в ЛВД в периоды между впрыскиваниями топлива, благодаря волновому процессу, сформированному там посадкой нагнетательного клапана на седло после отсечки подачи ТНВД. Применение смеси ДТ и ДМЭ даёт тот же качественный эффект в части смесеобразования, что и полная замена ДТ на ДМЭ, но очевидно, в меньших количествах. Зато добавляется эффект “вторичного” распыливания, т.е. “микровзрывов” капель ДТ, насыщенных ДМЭ, эффект микротурбуленции в заряде (аналогично процессу со смесью ДТ и ГСН). В то же время ДТ в смесевом топливе выполняет функции смазки прецизионных пар ТА и их уплотнения. От необходимости перехода дизеля на работу на чистом ДТ перед его остановкой вряд ли удастся отказаться, а вот от необходимости запуска на ДТ, как это приходится делать при применении ГСН, отказаться очевидно, можно, благодаря высокому цетановому числу ДМЭ. Благодаря этому же качеству можно предположить, что применение в смесевом топливе ДМЭ позволит снизить жёсткость работы двигателя при пониженных скоростных режимах.
Исследования ТА, проведённые с ГСН, как имитатором ДМЭ, показали следующее [5]. Подача ГСН достигала 35-40% от полной цикловой подачи, а снижение дымности ОГ составляло 40-50%. Благодаря повышению качества смесеобразования/сгорания удавалось форсировать дизель по составу смеси с <х=1,5 до а=1,34 (для дизеля типа ЯМЗ) без превышения установленного предела дымления. Такая возможность позволяет проводить корректирование внешних скоростных характеристик, если решить проблему регулирования содержания ГСН (или соответственно ДМЭ) во всей подаче [6].
Таким образом, проведённый анализ показал возможность уже на современном этапе использовать сжиженные газы в жидкой фазе, в том числе ДМЭ, в качестве добавки к основному ДТ с целью улучшения экологических и энергетических характеристик дизеля.
ЛИТЕРАТУРА
1. Голубков Л. H., Померанцев E. М. Метод гидродинамического расчёта топливной аппаратуры дизеля, использующего в качестве топлива сжиженный газ (диметилэфир).//Решение экологических проблем в автотранспортном комплексе: 3-я международная научно - техническая конференция. М., МАДИ, 1990. - С. 156 - 157.
2. Голубков Л. H., Померанцев Е. М., Скороделов С. Д. Расчётное исследование топливной системы дизеля при её работе на диметилэфире// Науч. труды Университета “Ангел Кынчев”, том. 37, сер. 4, г. Русе. - 1999.- С. 92 - 96.
3. Патрахальцев H. Н. Аппаратура для газодизельного процесса//Автомобильная промышленность. 1986, № 7. - С. 16-18.
4. Патрахальцев H. H., Горбунов В. В., Гильермо Лира. Сжиженный нефтяной газ для улучшения экологических качеств дизелей.//Грузовик &...1999, № 12 (41). - С. 23 - 26.
5. Патрахальцев H. H., Виноградский, Ластра Л. А. Корректирование скоростных характеристик дизеля добавлением в топливо сжиженного нефтяного газа.//Строительные и дорожные машины. 2002, № 4. - С. 22 - 23.
UDC 621.436.038.001
ABOUT EXPEDIENCY AND POSSIBILITY OF USE OF DIMETILETHER ADDITIVES FOR DIESEL FUEL
V. V. Gorbunov, M. N. Ponomariov, V. P. Shkalikova
Department of Internal Combustion Engines Russian Peoples’ Friendship University Miklukho-Maklaya st., 6, 117198, Moscow, Russia
There was done analysis of possibility to use dimetilether additives as alternate fuel for diesel engine. Oil gas was used in engine during experimental work as applicable fuel instead of dimetilether.
