CC BY
428Спиртовые топлива для дизельных двигателей
В.А. Марков,
профессор Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана (МГТУ им. Н.Э. Баумана), д.т.н., Н.Н. Патрахальцев,
профессор Российского университета дружбы народов (РУДН), д.т.н.
Окончание. Начало в № 6 (12) 2009 г.
Alcohol Fuels for Diesel Engines
V.A. Markov, N.N. Patrakhal'tsev
The end. The beginning in Nr 6 (12) 2009.
Одним из наиболее перспективных спиртовых топлив для двигателей внутреннего сгорания является метанол [2]. Его производство возможно практически из любого сырья, содержащего углерод, но наибольшее количество метанола производится в России из природного газа (в 1986 г. - 87%, в 2000 г. - 96%). Для производства метанола имеются обширные сырьевые ресурсы, его стоимость в сравнении с другими альтернативными топливами сравнительно невысока. Кроме того, метанол, как моторное топливо, позволяет решить проблему снижения выбросов оксидов азота и особенно твердых частиц. Это объясняется тем, что при сгорании метанола не выделяются промежуточные продукты, из которых затем образуются ароматические и ацетиленовые углеводороды, которые способствуют зарождению и росту сажевых частиц. В продуктах сгорания метанола практически нет и сернистых соединений.
Метанол может смешиваться с бензином в любых пропорциях и служить основой для эфирной добавки - метилтретбутилового эфира (МТБЭ). Исследования работы бензиновых двигателей на смесях бензина с метанолом (М15 - 15% метанола, М85 - 85% метанола и др.), а также на
чистом метаноле (М100) проведены крупнейшими американскими и европейскими двигателестроительными фирмами - «Ford», «General Motors», «Pontiac», «Chrysler», «Mercedes-Benz», «Volkswagen», «Fiat», «Chevrolet», «Volvo». В Японии работы в данном направлении проведены фирмами «Mitsubishi», «Honda», «Toyota», «Hyundai», «Hino Motors» [2]. Положительные качества метанола - возможность его получения из любого углеводородного сырья (природный газ, уголь, отходы городского мусора, биомасса и др.) и низкая пожароопасность, а недостаток - высокая токсичность. В России использование метанола в качестве моторного топлива сдерживается его сравнительно высокой стоимостью (500 долл. США за 1 т).
В последнее время в качестве одного из наиболее перспективных топлив для дизелей рассматривается биоэтанол, что объясняется возможностью перевода дизелей на топливо из возобновляемых источников энергии и снижения парникового эффекта [2]. Этанол достаточно просто получить из возобновляемых ресурсов: для получения биоэтанола используются сахарный тростник, сахарная свекла, кукуруза, зерновые, картофель, древесина, биомасса [2]. Начало массового использования бензинов,
содержащих 5-10% этанола (газохол), 15% этанола (Е15) и 22% этанола, относится к 80-м гг. прошлого века, когда в Бразилии, США, Швеции, Голландии, Франции, Канаде и Колумбии автомобили стали заправлять этим видом топлива. Проведены исследования по использованию в бензиновых двигателях смеси Е85 (85% этанола) и смесей другого состава. Наиболее широкое использование этанола отмечено в Бразилии, где нет нефти, но имеется возможность производства этанола из сахарного тростника.
Этанол обладает высоким октановым числом и в некоторых странах широко применяется в качестве моторного топлива на транспорте. Так, Бразилия в период 70-90 гг. прошлого столетия ежедневно замещала этанолом до 250 тыс. баррелей импортируемой нефти. Начиная с 1976 г., в этой стране этанолом было замещено около 140 млрд. л бензина, что дало экономический эффект в размере 50 млрд. долл. США. В 90-х гг. в Бразилии чистый этанол в качестве моторного топлива использовали более 7 млн. автомобилей, а еще 9 млн. транспортных средств использовали его смесь с бензином (газохол). Однако в последние годы наметился спад в использовании этанола как моторного топлива.
Вторым мировым лидером по широкомасштабному использованию этанола для нужд автотранспорта является США, где для производства 3,8 млрд. л этанола в год собирают урожай технических культур с 2 млн. га [2]. В 1994 г. производство этанола оценивалось в 5,3 млрд. л, и дополнительно строились новые предприятия для его производства в количестве еще 900 млн. л в год. Этанол используется как «экологически чистое» топливо в 21 штате, а этанол-бензиновая смесь составляет 10% топливного рынка США и используется более чем в 100 млн. двигателей. Стоимость этанола до недавнего времени была выше стоимости бензина. Однако, по некоторым оценкам, этанол становится конкурентоспособным при цене
Научные разработки и исследования
нефти в 60 долл. США за баррель [2]. В связи с этим, а также с учетом налоговых льгот на продажу этанола для автотранспорта, действующих в ряде стран, вновь возрос интерес к использованию этанола в качестве моторного топлива.
Приведенные данные свидетельствуют о перспективности использования простейших спиртов (метанол и этанол) в двигателях с принудительным воспламенением. Следует, однако, отметить, что сжигание спиртовых топлив, причем с лучшей топливной экономичностью, возможно и в дизелях [2]. Из данных, приведенных на рис. 2, следует, что дизельные двигатели с неразделенными камерами сгорания (КС), работающие на метаноле и этаноле, имеют термический КПД п( на 20-35% выше, чем бензиновые двигатели [5]. В то же время эти простейшие спирты обладают рядом недостатков, которые препятствуют их широкому использованию в качестве топлив для дизелей. Это, в первую очередь, их плохая самовоспламеняемость (низкое цетановое число - ЦЧ).
Возможные способы подачи спиртового топлива в цилиндры дизельного двигателя представлены на рис. 3 [2]. Подача метанола и этанола в дизель возможна несколькими способами: они могут впрыскиваться в чистом виде или в смеси с дизельным топливом непосредственно в цилиндры, подаваться во впускной трубопровод в жидкой фазе или в виде пара [6, 7]. Непосредственное впрыскивание спирта в КС может выполняться с помощью штатного топливного насоса высокого давления (ТНВД) дизеля. Используется также непосредственная подача спирта в КС в виде эмульсии с дизельным топливом. Эффективными являются системы с раздельным впрыскиванием спирта и запальной дозы дизельного топлива в цилиндры дизеля.
При организации процесса сгорания простейших спиртов в цилиндрах дизеля возникает проблема их воспламенения, поскольку эти спиртовые топлива имеют низкие цетановые
«Транспорт на альтернативном топливе» № 1 (13) январь 2010 г. ^ Г№ .¡¡щ^^&к ¡©^ В"Еп; ЧИШВб
Л,
1,3
1,2
1,1 1,0
Бензиновые двигатели
Дизельные двигатели
--.:;-■,:■-■.;-— Спирт
Спирт V О ——- Дизельное топливо
лу\ Бензин ИГ
[>с- 1 1 Предел детонации бензинового двигателя ....... ......
Непосредственный впрыск
Непрямой впрыск
8
10
12
14
16 18
20
22 24
Рис. 2. Относительная термическая эффективность использования нефтяных топлив и простейших спиртов в бензиновых и дизельных двигателях: П, - относительный термический КПД (за единицу принят термический КПД бензинового двигателя со степенью сжатия 8=8)
числа. Воспламенение спиртов в условиях КС дизеля возможно с помощью дополнительно установленной свечи зажигания или накаливания. Эффективное воспламенение спиртовых топлив в дизелях достигается при подаче в КС запальной дозы дизельного топлива.
Кроме представленных на рис. 3 способов использования метанола и этанола в дизелях, возможно разложение их с получением синтез-газа (смеси монооксида углерода СО и водорода Н) и последующей его подачей в цилиндры двигателя или использование спиртов в качестве энергоносителя для топливных элементов [2].
Исследовательские работы по адаптации дизелей для работы на метаноле и этаноле, проведенные ведущими двигателестроительны-ми фирмами, показали, что особенности процесса их распыления оказывают заметное влияние на экономические и экологические показатели дизеля, работающего на этих топливах. При этом используются различные методы воспламенения низкоцетановых спиртовых топлив. Самовоспламенение спиртовоздуш-ных смесей возможно в дизельных двигателях, отличающихся высоким температурным уровнем рабочего заряда и стенок КС [2, 6, 7]. Для улучшения воспламеняемости метанола
и этанола используются увеличение степени сжатия, повышение давления наддува, установка подогревателей воздуха на впуске и др. Но наиболее распространенными способами воспламенения является воспламенение этих спиртов от запальной дозы дизельного топлива, от свечи зажигания и с использованием присадок к топливу.
Возможна подача метанола и этанола в дизель в виде смеси или эмульсии с дизельным топливом штатной системой топливоподачи. Существенным недостатком перевода двигателя на работу со спиртосодержащими эмульсиями является их нестабильность, которая может привести к полному расслоению эмульсии и разделению ее на две самостоятельные фазы [2]. Для стабилизации метаноло-топ-ливных эмульсий в них добавляют высшие спирты (изопропанол, гексанол и др.), используют различные поверхностно активные вещества (эмульгаторы): нефтяной сульфонат, эдималь, амикром, сукцинимид. Лучшей смешиваемостью с дизельным топливом обладает этанол. В частности, фирмой «Ситт1п$» (США) разработан шестицилиндровый четырехтактный дизель сельскохозяйственного назначения, работающий на смеси дизельного топлива (88,7%), этанола (10%), эмульгаторов (1,3%) и присадок,
повышающих цетановое число смеси (0,001%) [8]. В качестве топлив для дизелей могут применяться также смеси метанола и этанола с тяжелыми нефтяными топливами, растительными маслами, а также с водой.
Одним из способов использования метанола и этанола в дизелях является их подача во впускной трубопровод дизеля. Такая подача спиртовых топлив реализуется с помощью карбюратора или форсунки, установленной на впуске. В этом случае к параметрам впрыскивания спиртов форсункой предъявляются менее жесткие требования, чем при их подаче непосредственно в цилиндры. Сравнение различных способов подачи спирта на впуск дизеля, проведенное в работе [9], показало, что наилучшие характеристики получены при распределенном впрыскивании (многоточечном) на каждом цикле работы дизеля.
Следует отметить, что использование метанола и этанола, отличающихся высокой испаряемостью, позволяет организовать процесс HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) с равномерным распределением топлива по объему КС, позволяющий получить улучшенные показатели токсичности ОГ [2].
Широкое применение метанола и этанола в качестве моторных топлив
для дизелей сдерживается тем обстоятельством, что по ряду физико-химических свойств они существенно отличаются от дизельных топлив (см. табл. 1 в первой части статьи). Основным недостатком спиртов является их плохая воспламеняемость в цилиндрах дизелей, что требует использования различных мер для их принудительного воспламенения. Этот недостаток усугубляется высокой испаряемостью спиртов и, как следствие, переохлаждением спир-товоздушной смеси. В частности, теплота испарения метанола в 4,4 раза больше теплоты испарения дизельного топлива (соответственно 1115 и 250 кДж/кг) при низкой температуре кипения, что обуславливает чрезмерное охлаждение воздушного заряда при испарении спирта, низких ЦЧ и высоких температурах самовоспламенения спиртов, что в свою очередь приводит к их плохому воспламенению в КС дизеля и повышенной жесткости их сгорания. Поэтому при использовании спиртов в качестве топлива для дизелей необходима реализация мероприятий по улучшению их воспламеняемости в условиях КС: рациональный выбор формы КС, повышение степени сжатия, повышение температурного уровня деталей КС и их теплоизоляция, регулирование угла опережения впрыскивания
Рис. 3. Способы подачи простейших спиртов в дизелях
топлива, организация рециркуляции ОГ, подогрев воздуха на впуске [2]. Для улучшения самовоспламеняемости в метанол и этанол добавляют легковоспламеняющиеся присадки, например, гексилнитрат и октилнит-рат. Для этой же цели используются катализаторы (оксиды металлов N10, Сг203, СиО и благородные металлы), снижающие температуру воспламенения спирта и ускоряющих реакцию его горения [2]. Используется и принудительное воспламенение спиртовых топлив свечей зажигания.
Меньшие значения низшей теплоты сгорания в сравнении с дизельным топливом (соответственно 19670 и 42500 кДж/кг) приводят к необходимости корректирования цикловой подачи топлива для сохранения мощ-ностных показателей дизеля. Для предотвращения падения мощности двигателя из-за меньшей весовой подачи спирта (вызванной, в основном, его меньшей плотностью) и его пониженной теплотворной способности требуется увеличение количества подаваемого топлива: метанола - примерно в 2,3 раза, этанола - в 1,7 раза, то есть корректирование топливоподачи.
Таким образом, применение простейших спиртов в дизелях в чистом виде требует конструктивных изменений двигателя. В частности, с целью улучшения воспламенения спиртов используются двухтопливные системы питания, которые наряду с подачей спирта обеспечивают подачу запальной дозы дизельного топлива (рис. 3). Подача же смесей спирта с дизельным топливом с помощью традиционной дизельной топливной аппаратуры затруднена из-за плохой смешиваемости этих двух видов топлива. При этом следует отметить, что этанол смешивается с дизельным топливом ограниченно, то есть получение их стабильных смесей затруднено, а метанол с дизельным топливом их вообще не образуют. Получение таких смесей возможно лишь при добавлении в смеси этих спиртов и дизельных топлив различных стабилизаторов.
Научные разработки и исследования
Плохие смазывающие свойства и высокая гигроскопичность спиртов приводят к повышенным износам прецизионных пар ТНВД, форсунок и других деталей двигателя [2]. Возникающие проблемы с организацией смазки деталей двигателя вызваны коагуляцией присадок моторного масла при попадании в него спиртовых топлив и значительным ухудшением из-за этого смазывающих свойств моторных масел: нарушается прочность масляной пленки; возможно растворение в спиртовых топливах проти-воизносных и других присадок, содержащихся в моторных маслах; при работе на метаноле отмечается более высокая интенсивность изнашивания, чем на этаноле. Поэтому при выборе масел для дизелей, работающих на метаноле и этаноле, необходимо учитывать возможность попадания спиртов в масляную систему дизеля и образования отложений.
Еще одной проблемой, которую необходимо решить при адаптации дизелей к работе на метаноле и этаноле, является их коррозионное воздействие практически на все металлы (железо, алюминий, медь, никель, хром, молибден, кадмий и др.), особенно на цинковые и магниевые сплавы, а также на пластмассы, тефло-новые, резиновые и лакокрасочные покрытия. Это обусловлено тем, что эти спирты являются кислородсодержащими соединениями, поэтому требуется подбор материалов, совместимых со спиртовыми топлива-ми. Следует отметить и повышенную токсичность спиртов. В частности, токсичность паров метанола в воздухе в три раза превышает токсичность паров бензина той же концентрации. Однако с учетом уменьшения запасов нефти, удорожания нефтепродуктов и возможности использования возобновляемых сырьевых ресурсов при производстве спиртов их следует рассматривать в качестве одного из перспективных энергоносителей.
Следует также отметить высокое давление насыщенных паров метанола и этанола. Поэтому при пода-
ш
Кх, ед. ВовсИ
СбуТ,%
50
< эе= > \ 0,6 МПа ре=0,5 ИПа. С бут
% : / __ \ Ре=0 А МПа О-О 1 +.....+ 3 д---д 4
\ \ 4 N Ре=0,3 1 Ре ЛПа =0,2 МПг
1 ч 1 _ 1 ■■ ---А___ —д____ - 0,1 МПа _ Ре=0 02 МПа
30
10
1
а
Рис. 4. Зависимость дымности отработавших газов Кх автотракторного дизеля типа Д-240 (4 Ч 11/12,5) от коэффициента избытка воздуха а (среднего по КС) для режимов с частотой вращения коленчатого вала двигателя я=1800 мин1 с различными средними
эффективными давлениями рв и следующими условиями работы: 1 - работа всех цилиндров на дизельном топливе; 2 - работа на дизельном топливе с отключением двух цилиндров при ре<0,3 МПа; 3 - работа с подачей через клапан РНД С6ут % н-бутанола; 4 - работа с отключением от одного цилиндра при нагрузке ниже 75% от номинала и подачей в рабочие цилиндры около 50% н-бутанола
че их в цилиндры дизелей штатной топливоподающей аппаратурой для предотвращения образования паровоздушных пробок и обеспечения требуемых параметров топливопо-дачи необходимо повышать давление подкачки. Кроме того, возможные утечки паров этих спиртовых топлив повышают пожаро- и взры-воопасность.
Указанных недостатков спиртов отчасти лишены высшие спирты (пропанол, бутанол, пентанол и др.). В сравнении с метанолом и этанолом высокомолекулярные спирты имеют большие плотность и вязкость, обладают лучшей самовоспламеняемостью (более высоким цетановым числом, см. табл. 2 и 3 в первой части статьи), лучше смешиваются с дизельным топливом, что позволяет обеспечить нормальную работу дизелей на этих топливах.
Проблемам использования про-панола и изопропанола в качестве топлива для дизелей посвящены работы [10, 11]. Результаты исследований дизелей, работающих на бутано-ле, его изомерах (см. табл. 2 в первой части статьи) и их смесях с другими
топливами, приведены в публикациях [4, 10, 11].
В работе [12] предложен способ подачи нормального бутанола в КС дизеля в смеси с дизельным топливом с использованием клапана регулирования начального давления (РНД) в линии высокого давления (ЛВД) системы топливоподачи автотракторного дизеля типа Д-240 (4Ч 11/12,5). Подача указанного смесевого топлива применялась в совокупности с отключением части цилиндров дизеля на режимах с неполной нагрузкой. В качестве средства отключения подачи топлива использован указанный выше клапан РНД, работа которого основана на использовании гидродинамических процессов в ЛВД в сочетании с электромагнитным устройством удержания клапана в открытом состоянии (ток 0,5 А при напряжении 36 В). Таким образом, в зависимости от режима работы двигателя указанное устройство может выполнять функции клапана для ввода н-бутанола в ЛВД (на режимах полных нагрузок данного цилиндра) или топлива из секции ТНВД для отключения данного цилиндра (на режимах пониженных
нагрузок дизеля в целом). Для увеличения производительности системы по подаче н-бутанола нагнетательные клапаны ТНВД были заменены новыми с увеличенными объемами разгрузочных поясков (с 52 до 85 мм3). В этих условиях расход н-бутанола достигал 50% от полной подачи на режимах полных нагрузок.
Экспериментальные исследования дизеля с предложенными средствами подачи н-бутанола и регулирования дизеля отключением цилиндров показали снижение дымнос-ти ОГ на 50-60% (рис. 4), уменьшение выбросов оксидов азота N0х до 20%, сохранение неизменными выбросов монооксида углерода СО и несгорев-ших углеводородов СНх на режимах малых нагрузок двигателя. Лишь в области малых нагрузок двигателя (при больших значениях коэффициента избытка воздуха а) возможно некоторое ухудшение эффективности рабочего процесса (в целом эффект повышения топливной экономичности достигается частичным замещением дизельного топлива н-бутанолом).
Оценка экономической эффективности предложенного метода организации рабочего процесса проведена с использованием циклограмм-результатов режимометрирования трактора типа МТЗ-80/82 с дизелем типа Д-240. Расчеты с использованием результатов проведенных испытаний показали, что применение системы подачи н-бутанола через клапан РНД без дополнительных средств регулирования дизеля позволяет заместить до 20% дизельного топлива. Применение метода отключения цилиндров и модернизированной системы топ-ливоподачи обеспечило экономию до 30% дизельного топлива. Повышение экологических качеств двигателя при использовании предложенного метода характеризуется снижением общего выброса сажи с 19 до 8 кг в год на один дизель.
В ряде работ [10, 11] представлены результаты исследований дизелей, работающих на пентаноле, его изомерах и их смесях с дизельным
топливом (см. табл. 2 в первой части статьи). В качестве топлив для дизелей могут быть использованы гексанол, гептанол, октанол, дека-нол и другие высокомолекулярные спирты [10, 13]. Эти спирты обычно применяются в качестве добавки к основному дизельному топливу или другим видам топлива. Добавки изопропанола, гексанола и других высокомолекулярных спиртов к метанолотопливным и этанолотоп-ливным эмульсиям повышает их стабильность [14, 15].
Проведенный анализ физико-химических свойств различных спирто-
вых топлив и некоторых результатов экспериментальных исследований подтверждает перспективность использования этих топлив для дизелей. Некоторые из этих топлив являются отходами химических, биохимических, микробиологических производств, и их сжигание в дизелях позволяет решить проблему их утилизации. Анализ проблем, возникающих при адаптации дизелей к работе на этих топливах, позволяет более обоснованно подойти к выбору того или иного спирта в качестве моторного топлива и рациональной организации рабочего процесса дизеля.
Литература
1. Льотко В., Луканин В.Н., Хачиян А.С. Применение альтернативных топлив в двигателях внутреннего сгорания. - М.: Изд-во МАДИ (ТУ), 2000. - 311 с.
2. Марков В.А., Гайворонский А.И., Грехов Л.В. и др. Работа дизелей на нетрадиционных топливах: Учебное пособие. - М.: Изд-во «Легион-Автодата», 2008.
- 464 с.
3. Арчаков Ю.А., Вагина Л.К., Васильев А.И. и др. Под ред. С.К. Огороднико-
ва. Справочник нефтехимика. В двух томах. Том 1. - Л.: Химия, 1978. - 496 с.
4. Popuri S.S.S., Bata R.M. A Performance Study of Iso-Butanol-, Methanol- and Etha-nol-Gasoline Blends Using a Single Cylinder Engine. - SAE Technical Paper Series. - 1993.
- № 932953. - P. 41-60.
5. Sinor J.E., Bailey B.K. Current and Potential Future Performance of Ethanol Fuels.
- SAE Technical Paper Series. - 1993. - № 930376. - P. 83-100.
6. Adelman H.G. Alcohols in Diesel Engines - a Review. - SAE Technical Paper Series.
- 1979. - № 790956. - P. 1-9.
7. Alcohols in Diesel Engines: A Review. - Automotive Engineering. - 1984. - Vol. 92.
- № 6. - P. 40-44.
8. Mendoza M.C., Woon P.V. E-diesel Effects on Engine Component Temperature and Heat Balance in a Cummins C8.3 Engine. - SAE Technical Paper Series. - 2002. - № 200201-2847. - P. 1-7.
9. Savage L.D., White R.A., Cole S. Extended Performance of Alcohol Fumigation in Diesel Engines through Different Multipoint Alcohol Injection Timing Cycles. - SAE Technical Paper Series. - 1986, № 861580. - P. 1-11.
10. Myburgh I.S. Performance and Durability Testing of a Diesel Engine Fuelled with a Propanol-Plus. - Diesel Blend. - SAE Technical Paper Series. - 1986, № 861583. - P. 1-11.
11. Yoshimoto Y., Onodera M. Performance of a Diesel Engine Fueled by Rapeseed Oil Blended with Oxygenated Organic Compounds. - SAE Technical Paper Series. - 2002, № 2002-01-2854. - P. 1-9.
12. Патрахальцев Н.Н., Сааде Ю.Ж. Использование отходов биохимических, химических, микробиологических производств в качестве альтернативных топлив для дизелей. - Двигателестроение. - 1995, № 1. - С. 68-70.
13. Moriya S., Yaginuma F., Watanabe H. et al. Utilization of Ethanol and Gas Oil Blended Fuels for Diesel Engine (Addition of Decanol and Isoamyl Ether). - SAE Technical Paper Series. - 1999, № 1999-01-2518. - P. 1-4.
14. Johnson R.T., Stoffer J.O. Single Cylinder Engine Evaluations of Stabilized Diesel Fuels Containing Alcohols. - SAE Technical Paper Series. - 1983, № 830559. - P. 105-121.
15. Smith E.J., Jordan D.R. The Use of Surfactants in Preventing Phase Separation of Alcohol Petroleum Fuel Mixtures. - SAE Technical Paper Series. - 1983, № 830385.
- P. 37-41.
