Снижение дымности отработавших газов дизеля путем добавки альтернативных топлив к основному Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\

Транспорт и экология

Снижение дымности отработавших газов дизеля путем добавки альтернативных топлив к основному

Н.Н. Патрахальцев, профессор РУДН, д.т.н., Р.О. Камышников, аспирант РУДН, Э.А. Савастенко, аспирант РУДН, Д.В. Скрипник, магистрант РУДН

Представлены результаты экспериментальных исследований возможностей снижения дымности отработавших газов дизелей путем оперативной (во время работы дизеля) добавки к основному топливу различных альтернативных топлив. Таким же путем возможно форсирование дизеля по мощности без превышения допустимого уровня дымности ОГ.

__Ключевые слова:

дизель, альтернативное топливо, дымность выбросов, форсирование по мощности, регулирование.

П

ри полной нагрузке автотракторного дизеля, то есть при работе по внешней характеристике, дымность его отработавших газов (ОГ) укладывается в существующие нормы, как правило, в диапазоне частот вращения от n до 0,5 n . При дальнейшем сни-

nom ^ 1 nom * ^

жении частоты вращения дымность возрастает недопустимо. Последнее

особенно характерно для двигателей со свободным газотурбинным наддувом [1]. Для снижения дымности традиционно используют антидымные корректоры, которые уменьшают цикловые подачи топлива при пониженных частотах. Иногда выполняют регулирование дизеля на повышенную минимальную частоту вращения (например, устанавливают n . = 0,5 n ).

r r ' min nom7

fi j

^Соци^

Транспорт и экология

к\\т\\\\\\\\\\\\\\\\

Для дизелей с газотурбинным наддувом проблему решают применением регулируемого наддува и системы Максидайн (то есть с потерей мощности на режимах вблизи номинального). Для снижения дымности также используют антидымные присадки к дизельному топливу (ДТ) на всех режимах и физико-химическую обработку ОГ, например, фильтрацию.

В то же время экспериментально доказана возможность снижения дым-ности ОГ при использовании топлива с добавкой 10...20 %, например, сжиженного нефтяного газа - сжиженного пропан-бутана топливного (СПБТ), диметилэфира (ДМЭ), спиртов, некоторых растительных масел и т.д. [2]. Применение таких смесевых топлив для постоянного питания дизеля может быть экономически не выгодно. Однако кратковременное, эпизодическое применение добавки СПБТ, ДМЭ или спирта к дизельному топливу только на режимах повышенных нагрузок из малоразмерных, редко заправляемых емкостей избавляет от указанных проблем. Операции организации работы дизеля в этом случае могут выглядеть следующим образом. При полной или близкой к ней нагрузке дизеля и снижении частоты вращения ниже установленного уровня (например, 0,5 ппот) включается подача добавки в линии высокого давления (ЛВД) вблизи форсунки, где образуется смесевое топливо, которое затем обычным порядком впрыскивается в цилиндры дизеля.

Возможность оперативного изменения состава топлива, впрыскиваемого в дизель, причем с помощью практически штатной топливной

системы появилась после создания систем топливоподачи с регулированием начального давления (РНД) топлива в ЛВД перед очередным циклом впрыскивания. Такая система содержит клапан РНД 5 (рис. 1), подключенный к линии высокого давления 3 вблизи форсунки 4 и связанный с источником добавки 6, в качестве которой первоначально для регулирования начального давления (рнач) применялось штатное дизельное топливо.

Рис. 1. Схема системы топливоподачи с клапаном РНД и схемы осциллограмм изменения давления топлива у форсунки (рф), хода иглы форсунки (йи) и хода клапана РНД (йкл):

1 - топливный насос высокого давления (ТНВД); 2 - нагнетательный клапан ТНВД; 3 - линия высокого давления; 4 - форсунка закрытого типа; 5 - клапан РНД; 6 - емкость с добавкой; р , р - начальное и

1 нач 1 ост

остаточное давления в ЛВД; ф1, ф2, ф3 - периоды, когда в ЛВД создано разрежение или пониженное давление

шшшшшшш

Если источник добавки заполнен некоторым альтернативным топливом, присадкой, то система начинает выполнять физико-химическое регулирование (ФХР) дизеля, то есть регулирование рабочего процесса дизеля изменением его физико-химических и моторных свойств [3]. В таких системах достигается как главный эффект - регулирование состава топлива, так и вспомогательные, но важные эффекты - регулирование начального давления топлива в линии высокого давления, характеристик распыливания и распределения топлива, показателей факела распыленного топлива и т.д.

На осциллограммах (см. рис. 1) показано, что открытие клапана РНД происходит тогда, когда волна разрежения, сформированная при отсечке подачи и посадке нагнетательного клапана на седло, подходит к клапану 5 РНД. Он открывается, и добавка вводится в ЛВД вблизи форсунки. В очередном цикле смесевое топливо обычным порядком впрыскивается в цилиндр.

С помощью таких систем проведены исследования с добавкой к дизельному топливу СПБТ, спирта, водорода, ДМЭ, различных пусковых жидкостей, синтетических и других жидких, газообразных и даже твердых веществ [4].

Известны предложения о регулировании дымности дизеля по сигналу от датчика превышения ее допустимого уровня. Подача СПБТ, спирта, ДМЭ и т.д. может включаться по сигналу о повышенном дымлении. Очевидно, что в этом случае система регулирования будет пригодна и для

регулирования дымности (рис. 2) при неустановившихся режимах работы дизеля (разгоны, набросы нагрузки и т.д.).

Рис. 2. Сравнительные характеристики дымности ОГ дизеля типа ЯМЗ-236 и газодизеля на его базе с внутренним смесеобразованием при реализации одной и той же внешней скоростной характеристики (у газодизеля положение рейки меняется от 83 % на номинальном режиме до 94 % на минимальной частоте вращения): Хг - содержание СПБТ в смеси с ДТ; Нд и Нд - дымность дизеля и газодизеля по Хартриджу

На рис. 3 приведены сглаженные экспериментальные характеристики дизеля ЯМЗ-238 (8Ч13/14) при использовании добавок СПБТ к основному дизельному топливу. Добавка проведена путем ввода СПБТ в ЛВД штатной топливной системы через клапан РНД, установленный у штуцера форсунки. Показано, что применением добавки можно снизить дымность ОГ дизеля во всем диапазоне скоростных режимов, причем на номинальном режиме - с 35 до 30 %.

т

^Соци^

12

Транспорт и экология

\\\\\\\т\\\\\\\\\\\\

У дизеля предел дымления превышается уже при п<1600 мин1 (точка 1). У газодизеля предел дымления превышается лишь после точки 2, то есть ниже 900 мин1.

М, Нм 900 850 800 750 700

!

1 Мд

• \ " М М гд — —

] Нпр д

ч Ч Н д

N N ——

* / *

ГН

п —1 тш - П, I — мин -У

Н%

800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200

Рис. 3. Внешние скоростные характеристики (ВСХ) дизеля типа ЯМЗ без наддува (д) и газодизеля малодымного (гд) с внутренним смесеобразованием и питанием смесью СПБТ + ДТ:

Н - дымность ОГ по Хартриджу; Нпр д - дым-ность предела дымления; ВСХ дизеля -при положении рейки Ир = 100 %; ВСХ газодизеля - при Ир = 82 %

На рис. 4 показано изменение содержания СПБТ в смесевом топливе в зависимости от скоростного режима. Оно определяется характеристикой изменения остаточного давления в ЛВД топливной системы и никакими другими средствами не регулируется.

Возрастание доли СПБТ в смесе-вом топливе при росте частоты вращения коленчатого вала от средней к номинальной является желательным приемлемым явлением. А увеличение доли СПБТ в области пониженных

Ст

Х% 40 35 30 25 20 15 10 5

1 .^г+д ит

гд

г»

с ■л Г

V

\ --< с т У

* > •д гд

--- — - ' X у •

1 р] 1__ <1

__ « Ст гд —1— Пп - и

кг/ч

40

30

20

10

800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200

Рис. 4. Изменение часовых расходов Ст дизельного (д), газового (г) и смесевого (г+д) топлив при работе по внешней характеристике дизельного двигателя типа ЯМЗ (д) и газодизеля (гд) на его базе: Хгдг - доля СПБТ в смесевом с дизельным топливе; положения реек для дизеля 100 %, для газодизеля - 82 % при одинаковых номинальных моментах (расходы СПБТ и смесевого топлива приведены по теплоте сгорания к дизельному топливу)

частот вращения нежелательно ввиду понижения теплового состояния дизеля и заряда, что может привести к нарушению стабильности работы двигателя как из-за снижения цета-нового числа смесевого топлива, так и из-за понижения температуры факела, связанной с повышенной теплотой парообразования СПБТ. Для газодизеля положение рейки 82 % на номинальном режиме обеспечивает получение того же крутящего момента, что и у дизеля при И =100 %, так как около 25 % цикловой подачи вводится через клапан РНД.

У дизеля типа Д-240 (4411/12,5) снижение дымности ОГ благодаря

шшшшшшш

а

о «

М <ц

добавке к топливу СПБТ особенно ощутимо на повышенных частотах вращения (рис. 5). При этом доля СПБТ во всем диапазоне изменения частоты вращения при постоянном положении рейки меняется в пределах 5...7 % от среднего для данной нагрузки уровня. А вот со снижением нагрузки от 100 до 25 % она возрастает от 17 до 45 %. Такие расходы СПБТ через клапан РНД (при выбранных его конструктивных признаках) определяются особенностями системы топливоподачи, а также волновым процессом, который имеет место в ЛВД после отсечки подачи и посадки нагнетательного клапана ТНВД в седло.

к / 3

Ди зель

М

1

2-

оди зель — -3

Газ —г

ч4 п, м

1000 1300 1600 1900 2200

Следует отметить, что даже на частичных нагрузках стабильность работы двигателя не нарушается, если доля СПБТ не превышает 50.60 % (для прогретого двигателя).

Добавка СПБТ (рис. 6) через клапан РНД топливной системы дизеля типа Д-242 снижает дымность ОГ на 40.50 % на номинальном скоростном режиме и до 15.40 % в области низких скоростных режимов.

Н 0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

к =7 0 |Я=ЯГд /Яд|

% 1

У к р = 2 5 % /о

к = / р 100 %

/

к =5 0 % р 1 1

1000 1300 1600 1900 2200 п, мин-1

Рис. 5. Сравнение внешних и частичных скоростных характеристик дизеля Д-240 (4411/12,5) и газодизеля с внутренним смесеобразованием на его базе (смесь СПБТ и ДТ) по показателям дымности (В) отработавших газов.

Для дизеля: 1 - положение рейки ТНВД

к =100 %; 2 - к =75 %; 3 - к =50 %;

р р р

4 - кр= 25 %; для газодизеля за 100 % принято положение рейки ТНВД кр=84 %

Рис. 6. Изменение относительной дымности (Н) отработавших газов дизеля типа Д-242 во всем диапазоне скоростных и нагрузочных режимов при добавке СПБТ к ДТ через клапан РНД: д - дизель; гд - газодизель (работа с добавкой СПБТ к ДТ)

Характеристики дымности (рис. 7) получены при испытаниях на установившихся режимах при работе двигателя по ВСХ следующим образом: ВдТ - работа дизеля на ДТ по внешней скоростной характеристике; Вкор - работа дизеля с добавкой легких синтетических парафиновых углеводородов (ЛСПУ) к дизельному топливу через клапан РНД. Причем положение рейки подобрано таким, чтобы чтобы

^Соци^

5

4

3

2

1

14

Транспорт и экология

k\\m\\\\\\\\\\\\\\\\

номинальные моменты при работе на ДТ и ДТ с добавкой альтернативного топлива были одинаковы (характеристика названа корректорной или малодымной). Характеристика Вф названа форсированной и получена при условии, что дымность ОГ на номинальном режиме у дизеля и газодизеля была одинаковой (благодаря такой регулировке мощность возрастает). Характеристика Вф-ж названа форсажной, так как положения рейки в этом случае подбирались с целью поддержания дымности на уровне предела дымления. В этом случае мощность двигателя еще более возрастает.

Таким образом, добавкой ЛСПУ СПБТ, спирта и др. удается снизить уровень дымности ОГ. Следовательно, если принять, что ограничительным параметром при форсировании двигателя является прежде всего дым-ность, то появляется возможность

5,0

4,5

а

о Ш 4,0

tr 3,5

CQ

3,0

2,5

л-

700 1000 1300 1600 1900 2200 n, мин-1

ф-ж

з

-'кор

Рис. 7. Изменение характеристик дымности ОГ (В) дизеля 4411/12,5 при добавках ЛСПУ

форсировать двигатель по составу горючей смеси, а следовательно и по развиваемой мощности без превышения установленного предела дымления В .

пр д

Литература

1. Патрахальцев Н.Н., Савастенко А.А. Форсирование двигателей внутреннего сгорания наддувом. - М.: Легион-Автодата. - 2004. - 176 с.

2. Патрахальцев Н.Н., Силин Е.Л., Камышников О.В. Эффективность использования СУГ для организации газодизельного процесса с внутренним смесеобразованием // Транспорт на альтернативном топливе. - 2008. - № 2 (2). - С. 22-25.

3. Патрахальцев Н.Н. Регулирование ДВС методом изменения физико-химических свойств моторного топлива // Транспорт на альтернативном топливе. - 2010. - № 3 (15). - . 26-32.

4. Патрахальцев Н.Н. Повышение экономических и экологических качеств двигателей внутреннего сгорания на основе применения альтернативных топлив: Учеб. пособие. - М.: РУДН, 2008. - 267 с.: ил.

Мировой парк машин на метане близок к 20 миллионам

Мировая статистка рынка природного газа в качестве моторного топлива продолжает радовать. По данным на ноябрь 2013 г. мировой парк машин, использующих метан в качестве главного топлива, приближается к 20 млн ед. Продолжается ранее спрогнозированное ускорение темпов роста рынка по ключевым показателям: спрос на КПГ и СПГ, численность АГНКС и парка газовых автомобилей.

Учтенный спрос на природный газ по-прежнему оценивается примерно в 30 млрд м3 газа в год. Пока отсутствуют данные по таким развитым рынкам природного газа на транспорте как Китай (вероятно, годовое потребление составляет там не менее 5 млрд м3 в год), Мьянма, Узбекистан, Япония (годовое потребление оценивается в 1 млрд м3 в каждой из этих стран). Эти крупные и более мелкие «неучтенные» рынки могут в сумме потреблять еще около 10 млрд м3.

Если же использовать теоретическую модель агентства NGV Communications Group, то мировое потребление метана уже сегодня должно составлять не менее 80 млрд м3 в год.