CC BY
13m
Альтернативные т
Разработка бинарных топлив для энергетических установок
транспортных средств
В.М. Фомин, профессор РУДН, д.т.н., Рами Атраш, аспирант РУДН, Ливан
Обсуждается проблема применения двухкомпо-нентных биоуглеводородных топлив в двигателях транспортных средств. Предложена методика оптимизации компонентного состава топлива.
Ключевые слова: бинарные топлива, энергетическая установка, транспортное средство.
Working out binary fuels for power installations of vehicles
V.M. Fomin, Rami Atrash (Lebanon)
The problem of application two-componential bio hydrocarbon fuels in engines of vehicles is discussed. The technique of optimization of componential structure of fuel is offered.
Keywords: binary fuels, power installation, vehicle.
Постоянно возрастающие проблемы экологической и топливно-энергетической безопасности в сфере эксплуатации транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) стимулируют поиск возможности замены традиционного топлива на биотоплива. Однако, как правило, данный вид моторного топлива по ряду свойств имеет отличия от нефтяного топлива, что может оказать существенное влияние на показатели работы двигателя. Одним из вариантов решения данной проблемы является разработка смесевых двухкомпонентных биоуглеводородных топлив оптимизированного компонентного состава, что позволило бы в наибольшей степени приблизить их моторные свойства к свойствам стандартного топлива. Рассмотрим этот вопрос на примере бинарного топлива для питания дизелей.
С учетом сложного характера влияния биологического компонента в смесевом топливе на такие показатели двигателя как расход топлива и эмиссия вредных веществ (ВВ) с отработавшими газами (ОГ) задача выбора состава смесевого топлива для конкретного двигателя должна ставиться как оптимизационная. Известна методика,
предложенная проф. В.А. Марковым [1], которая построена на одном из наиболее эффективных методов оптимизации - методе свертки, при котором обобщенный критерий оптимальности формируется в виде суммы
п
¡=1
(1)
где J. - частные критерии оптимальности; а. - весовые коэффициенты.
В качестве частных критериев оптимальности выбраны эффективный КПД двигателя г|е и массовые выбросы нормируемых токсичных компонентов ОГ - оксидов азота NОx , монооксида углерода СО, несгоревших углеводородов СН.
Однако в рассматриваемой методике при решении оптимизационной задачи из состава частных критериев оптимальности, характеризующих токсичность ОГ, исключен важнейший критерий - эмиссия дисперсных частиц (ДЧ). При оптимизации выбросы сажевых частиц предлагается косвенно учитывать через топливную экономичность [1], что не отражает в полной мере экологические качества рабочего процесса. Известно, что для разных способов организации рабочего процесса дизелей при одинаковом расходе топлива может регистрироваться различный выброс с ОГ частиц.
Среди учтенных в выражении (1) частных критериев оптимальности этому неучтенному критерию - эмиссия дисперсных частиц - принадлежит ключевая роль, так как частицы, в частности, сажевые, содержат мутагены и канцерогены. Поэтому предложенный в работе [1] обобщенный критерий оптимальности, лишенный частного критерия с наиболее высоким весовым коэффициентом, не обеспечивает необходимую адекватность при его применении. Подобный паллиативный подход объясняется тем, что оценка эмиссии дисперсных частиц для последующего использования этих данных при решении оптимизационной задачи затруднена из-за сложности определения выбросов ДЧ в связи с отсутствием соответствующей измерительной аппаратуры.
Полагаем, что выход из подобной ситуации возможен на основе косвенного подхода к оценке выбросов ДЧ с использованием известных методик их пересчета по замеренной дымности ОГ [2], что решает проблему отсутствия аппаратуры для непосредственного измерения частиц. С учетом этого предлагается следующий подход к построению оптимизационной задачи.
Любая методика оценки эффективности использования различных нетрадиционных топлив должна учитывать требования к токсичности ОГ и действующие современные ограничения по выбросам каждого нормируемого токсического компонента ОГ, накладываемые общеевропейскими нормами Правил ЕЭК ООН. Согласно регламентам этих Правил испытания дизелей в зависимости от их назначения проводятся на основе серии отдельных режимов испытательных циклов. В предлагаемой оптимизационной методике для каждого режима
нативные топлива
lijíObl
испытательного цикла по замеренной дымности и содержанию в ОГ несгоревших углеводородов предлагается определять концентрацию частиц в ОГ с использованием зависимости [2]
Сдч =0,0023Д+0,00005 Д2+0,145есн+0,ЗЗесн. (2)
где Д - дымность, %; eCH - концентрация несгоревших углеводородов, г/м3.
По концентрации ДЧ, согласно регламенту этого цикла, может быть определен удельный массовый выброс ДЧ с ОГ для конкретного биодизеля. Предлагаемый вариант уточненной методики решения многокритериальной задачи построен на составлении обобщенного критерия оптимальности, который в преобразованном варианте представлен в виде
Jo = ¿V Jne + cinox JNOX + acó Jco + осн ./сн + одч !дч, (3) где апе , аМОх , аСО , аСН и аДЧ - весовые коэффициенты частных критериев оптимальности; Jne , Jmx , Jw , JCH , JR4 - частные критерии оптимальности соответственно по эффективному КПД пе , выбросам ИОх , СО, СН и ДЧ.
Из выражения (3) видно, что уточненная методика отличается от методики, предложенной в работе [1], тем, что в выражение обобщенного критерия оптимальности включен дополнительный частный критерий оптимальности J , который отражает выбросы дисперсных частиц. Таким образом, в новом варианте методики учтены все нормируемые токсичные компоненты ОГ двигателя, что в наибольшей степени повышает уровень адекватности интегрального критерия оптимальности и достоверности методики в целом.
Частные критерии оптимальности, входящие в выражение (3), предлагается определять из соотношений:
J г\е
J СН —
ЧеДТ j _ gNO xi J _ eCOi
• J NOx ~ ; ; Jco ~
ле, eNOxRT есодт
есш J _ едч;
есн дт ДЧДТ
(4)
aNOx ~
'ШхДТ
е,
е
; асо ~'
со дт
NOxnp
е,
СОпр
есн дт едч дт
(1 __—— п — —————
сн ^ ; "дч __
(5)
СНпр ДЧпр
Сравнительный анализ интегральных показателей по токсичности ОГ и топливной экономичности дизелей, работающих на смесевых топливах, более наглядно проводить с использованием относительного обобщенного критерия оптимальности /0 , который представляет собой отношение критерия , полученного для данного смесе-вого топлива, к значению этого критерия ДТ, соответствующему работе на дизельном топливе, то есть ■Л) = ./оМ)дт- (6)
Оценка топливной экономичности для п регламентированных режимов испытательного цикла (например, согласно Правилам Р49 ЕЭК ООН п =13, правилам Р96 ЕЭК ООН п = 8 и т.д.) проводится по среднеинтегральному за цикл показателю удельного эффективного расхода топлива g(en) :
g
Ёад
(л) _ i=l
(7)
где вТ/ - часовой расход топлива, г/ч; Ме. - эффективная мощность на /-м режиме, кВт; к. - весовой коэффициент /-го режима.
А эффективность рабочего цикла оценивается по среднеинтегральному за цикл значению эффективного
кпд л1и)
Л,
(и) _
3600
Н 2(п) '
nU &е
(8)
где пг,. , еМОх/, еСО ., еСН ., еДЧ . - параметры двигателя, работающего
на /-том топливе; педт , еМОх ДТ , ега ДТ , есн дт , едЧ дт - параметры
двигателя, работающего на дизельном топливе.
При разработке любого метода оптимизации важным фактором, обусловливающим его достоверность, является принятый принцип выбора весовых коэффициентов, определяемых значимостью того или иного частного критерия. В данной методике значимость частных критериев, характеризующих токсичность, предлагается определять по соответствию конкретного двигателя действующим нормам на токсичность ОГ.
Для реализации установленного принципа выбора весовых коэффициентов предлагается принять апе = 1, а коэффициенты аМОх , аСО , аСН и аДЧ определять в виде отношений действительной эмиссии токсичных компонентов ОГ дизеля, работающего на дизельном топливе (еМОх ДТ , еСО ДТ , еСН ДТ, еДЧ ДТ), к предельным величинам эмиссии, определяемым нормативными требованиями на токсичность ОГ (е..„ , е^ , , еП1. ), то есть:
4 ИОх пр' СО пр' СН пр' ДЧ пр"
где Ни - низшая теплота сгорания используемого топлива.
Удельный массовый выброс газообразных ВВ и дисперсных частиц е. по регламенту п-режимного испытательного цикла находился следующим образом. С учетом данных пересчета концентрации дисперсных частиц по замеренной дымности ОГ, по экспериментально замеренным концентрациям С (г/м3) газообразных ВВ и по известному расходу ОГ GОГ определялся массовый часовой выброс газообразных ВВ и дисперсных частиц для каждого режима испытательного цикла в. . С учетом полученных данных среднеинтегральный удельный массовый выброс газообразных ВВ и дисперсных частиц е. по п-режимному циклу испытаний находился по зависимости
е. =■
(9)
1
где / - текущий режим испытаний; в. = С. вОГ - массовые выбросы газообразных ВВ и ДЧ для /-го режима испытательного цикла в единицу времени, г/ч; к - весовой коэффициент для /-го режима [3]; Ме. - мощность дизеля на /-м режиме цикла, кВт.
«Транспорт на альтернативном топливе» № 4 (28) август 2012 г.
t jBkДШИ .....ттитятп,.,
т
Альтернативные т<
Зависимость относительного обобщенного критерия оптимальности
полученного с использованием выражения (6), от массового содержания метилового эфира рапсового масла 5 в смесевом топливе дизеля 4Ч 10,5/12
Таким образом, с учетом целевой направленности предлагаемой методики основная задача оптимизации была увязана с эффективностью рабочего цикла исследуемого биодизеля г|е , а также с нормируемыми экологическими показателями ОГ двигателя е. , которые в интегрированной форме представляются в виде относительного обобщенного критерия оптимальности /0.
Предложенная методика была апробирована применительно к дизелю 4Ч 10,5/12 транспортного средства на базе колесного трактора. Для данного двигателя при оптимизации состава смесевого биотоплива эффективный КПД и выбросы токсичных компонентов ОГ рассчитывались по среднеинтегральным значениям этих показателей в соответствии с регламентом 8-режимного испытательного цикла для тракторных дизелей по ГОСТ Р 41.96-2005, аналогу Правила ЕЭК ООН № 96 [3]. Расчеты проведены с использованием приведенных выше выражений.
Биологический компонент смесевого топлива выбирался с учетом следующих предпосылок. Результатами предварительного анализа установлено, что практический интерес при эксплуатации дизельной техники представляют смеси дизельного топлива и одного из наиболее перспективных альтернативных топлив - метилового эфира, вырабатываемого из рапса, технология выращивания которого наиболее адаптирована к поч-венно-климатическим условиям России. Метиловый эфир рапсового масла (МЭРМ) хорошо смешивается с дизельным топливом, образуя стабильные смеси. Изменением состава такого смесевого топлива возможно достижение его приемлемых физико-химических свойств - вязкости, коксуемости, температуры замерзания и др.
С использованием экспериментальных данных по экономическим и экологическим показателям дизеля, работающего на дизельном топливе, а также на его смесях с содержанием МЭРМ в бинарном топливе 10, 20, 40, 60 и 80 %, проведена комплексная оценка эффективности использования указанных топлив (рисунок).
Приведенные данные свидетельствуют о том, что в рамках поставленной задачи при работе дизеля 4Ч 10,5/12 на бинарной смеси наблюдается четко выраженный минимум относительного обобщающего критерия оптимизации в области его значений 0,89. Этой области из
всей выборки рассмотренных вариантов компонентного состава смесевого (бинарное) топлива отвечает содержание биологического компонента в диапазоне 35...45 %.
Отметим, что при использовании биологического продукта (МЭРМ) в качестве основного топлива относительный обобщенный критерий оптимальности J0 превышает уровень этого показателя для бинарного биоуглеводородного топлива с 8 > 5 %. Из этого следует, что для обеспечения приемлемого характера протекания рабочего процесса и предельно возможного улучшения экономических и экологических показателей биодизеля МЭРМ как биологический энергоноситель целесообразно использовать не в виде самостоятельного топлива, а в качестве компонента бинарного топлива. Очевидно, что в каждом отдельном случае оптимальное содержание МЭРМ в бинарном топливе будет варьироваться с учетом конкретных особенностей организации рабочего процесса двигателя.
Установлено, что при использовании бинарного топлива, содержащего 40 % МЭРМ, требования норм ГОСТ Р41.96-2005 (Правила ЕЭК ООН № 96) для тракторных дизелей [3] выполняются по всем токсичным компонентам, за исключение выбросов оксидов азота. Этот факт подтверждает известное положение [1, 2] о том, что повышение выбросов NOx привносится биологической добавкой к дизельному топливу, что обусловливает целесообразность дальнейшего поиска решения данной проблемы.
В целом можно заключить, что предлагаемая методика, построенная на основе поиска обобщенного критерия оптимальности, позволяет интегрально оценить экологические и топливно-экономические показатели двигателя при его работе на бинарных топливах с любыми биологическими компонентами. С учетом сложного, порой неоднозначного характера влияния доли биологической составляющей в составе бинарного топлива на экологические и экономические показатели двигателя методика позволяет выбирать ее оптимальное содержание в топливе для любого дизеля с конкретным способом организации рабочего процесса по условию обеспечения предельно возможного улучшения его показателей.
Литература
1. Работа дизелей на нетрадиционных топливах: Учебное пособие / В.А. Марков, А.И. Гайворонский, Л.В. Грехов, Н.А. Иващенко. - М.: Легион-Автодата, 2008. - 464 с.
2. Парсаданов И.В. Повышение качества и конкурентоспособности дизелей на основе топливно-экологическо-го критерия. - Харьков: Изд. центр НТУ «ХПИ», 2003. - 244 с.
3. ГОСТ Р 41.96-2005 (Правила ЕЭК ООН № 96) Единообразные предписания, касающиеся двигателей с воспламенением от сжатия, предназначенных для установки на сельскохозяйственных и лесных тракторах и внедорожной технике, в отношении выброса вредных веществ этими двигателями. - Введ. 2008.01.01. - М.: Стандартин-форм, 2005. - 108 с.
