ТОПЛИВНАЯ СИСТЕМА СУДОВОГО ДИЗЕЛЯ 1Ч17,5/24 ДЛЯ РАБОТЫ НА ДИМЕТИЛОВОМ ЭФИРЕ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ЭНЕРГЕТИКА И ЭКОЛОГИЯ

ENERGY AND ECOLOGY

Статья поступила в редакцию 15.05.10. Ред. рег. № 791-а The article has entered in publishing office 15.05.10. Ed. reg. No. 791-а

УДК 621.431.74.004.69-222:662.76

ТОПЛИВНАЯ СИСТЕМА СУДОВОГО ДИЗЕЛЯ 1Ч17,5/24 ДЛЯ РАБОТЫ НА ДИМЕТИЛОВОМ ЭФИРЕ

М.Н. Покусаев, А.В. Шевченко, О.И. Теренин, А.В. Мордасов, Х.Х. Нгуен

Астраханский государственный технический университет 414025, Астрахань, ул. Татищева, д. 16 Тел.: +7 (8512) 546247, e-mail: oleg_terenin@mail.ru

Заключение совета рецензентов: 05.06.10 Заключение совета экспертов: 15.06.10 Принято к публикации: 25.06.10

В настоящее время в лаборатории тепловых двигателей АГТУ ведутся подготовительные работы для проведения экспериментальных исследований работы дизеля 1Ч17,5/24 при использовании диметилового эфира в качестве основного вида топлива с целью повышения его экологических и технико-экономических показателей. Для реализации экспериментальных исследований предлагается дооборудовать топливную систему дизеля 1Ч17,5/24 системой подачи сжиженного ДМЭ непосредственно в цилиндр дизеля (топливная система аккумуляторного типа). Также предлагается переоборудовать крышку цилиндра путем установки дополнительной форсунки и датчика давления с целью осуществления впрыска топлива и непрерывного контроля давления газов в цилиндре двигателя. Предложенные рекомендации для использования ДМЭ могут быть полезны при применении данного топлива в транспортной энергетике.

Ключевые слова: испытание, судовой дизель, топливная система, альтернативные топлива, диметиловый эфир, крышка дизеля, анализатор дымовых газов.

THE FUEL SYSTEM MARINE DIESEL 1H17,5/24 TO WORK ON DIMETHYL ETHER M.N. Pokusaev, A.V. Shevchenko, O.I. Terenin, A.V. Mordasov, H.H. Nguyen

Astrakhan State Technical University 16 Tatishchev str., Astrakhan, 414025, Russia Tel.: +7 (8512) 546247, e-mail: oleg_terenin@mail.ru

Referred: 05.06.10 Expertise: 15.06.10 Accepted: 25.06.10

Currently, the laboratory heat engines ASTU are preparatory works for experimental studies of diesel engine 1H17,5/24 using dimethyl ether as the main fuel in order to improve its environmental and techno-economic indicators. For the pilot study proposed equip diesel fuel system 1H17,5/24 feed system liquefied DME directly into the cylinder diesel engine (fuel system battery type). It is also proposed to convert the cylinder by installing additional injectors and a pressure sensor for the purpose of fuel injection and continuous monitoring of gas pressure in the cylinder. The proposed recommendations for the use of DME may be useful in the application of the fuel in the transport energy.

Keywords: test, marine diesel, fuel system, alternative fuel, dimethyl ether, diesel cap, flue gas analyzer.

Актуальность

На современном этапе развития науки и техники двигатель внутреннего сгорания (ДВС) остается основным типом привода для большинства мобильных и стационарных установок. В современных условиях все более возрастающую роль играют проблемы эко-

логии. Их решение может быть достигнуто применением альтернативных топлив. В связи с ужесточением норм выбросов вредных веществ с отработавшими газами двигателей, а также ограничением эмиссии окислов углерода и азота, улучшение экологических показателей современного дизеля и экономия топлива, производимого из невозобновляемых

ресурсов, являются важными задачами. Одним из перспективных топлив, широко рассматриваемых в последние годы, является диметиловый эфир (ДМЭ). Применение ДМЭ позволяет снизить экологическое воздействие дизеля на окружающую среду и расширить сырьевую базу топлив для ДВС. ДМЭ может быть использован как присадка к воздуху, а также в качестве основного топлива для двигателей внутреннего сгорания [1, 2].

Топливные системы (ТС) дизелей и сами дизели требуют адаптации для обеспечения их работы на ДМЭ.

Целью является разработка топливной системы для подачи диметилового эфира и других альтернативных экологических топлив в цилиндр судового дизеля, которая будет удовлетворять требования технической эксплуатации.

Основными задачами являются:

- обеспечение стабильности подачи сжиженного диметилового эфира;

- предотвращение утечек диметилового эфира из системы;

- снижение эмиссии оксидов азота и сажи при работе дизеля на диметиловом эфире;

- улучшение протекания рабочего процесса, снижение уровня шума и удельного эффективного расхода дизельного топлива.

Анализ ранее проведенных экспериментальных исследований

По заданию Правительства Москвы свою версию авторефрижератора на базе ЗИЛ-5301 с использованием в качестве топлива диметилэфира разработали ученые МГТУ им. Н.Э. Баумана. В реализуемом проекте конструкторы исходили из того, что значительное различие в свойствах ДМЭ и дизельного топлива вызывает ряд специфических проблем. Например, с учетом более низкой плотности и теплотворной способности для сохранения мощности дизеля необходима в 1,7-1,9 раза большая объемная цикловая подача.

При проектировании топливного насоса высокого давления (ТНВД) приходится учитывать, что в силу значительно большей сжимаемости диметилэфира необходимо увеличивать запас по объемной производительности на номинальном режиме в 2,4-2,7 раза. Топливоподача и рабочий процесс дизеля при переходе с дизтоплива на ДМЭ значительно изменяются. В результате повышенной сжимаемости диме-тилэфира подача начинается позднее. При питании дизеля ДМЭ ухудшается наполнение плунжерной полости, в результате чего возрастает нестабильность подачи. Диметиловый эфир по причине малой вязкости создает проблемы не только запуска дизеля, утечек и долговечности прецизионных пар, но и подкачки топлива в линии низкого давления. Более короткий и широкий факел приводит к перераспределению тепловых нагрузок на детали цилиндропорш-невой группы, перегреву деталей центральной части

камеры сгорания и др. Кроме того, необходимо учитывать значительную зависимость свойств ДМЭ от температуры, что вызывает необходимость применить в системе топливоподачи терморегулятор.

Для конвертирования дизеля ММЗ Д-245 упор сделали на комбинированную систему, предусматривающую подачу в ТНВД смеси из 70% солярки и 30% диметилэфира. Для получения указанного состава предложена и спроектирована система безнасосной подпитки линии высокого давления, которая позволяет снять значительную часть изложенных выше проблем. Чтобы добиться нужного соотношения того и другого компонента, используется эффект волновых явлений, происходящих в трубах высокого давления. Специальная аппаратура инициирует происходящий процесс и контролирует его параметры.

В 2005 г. Правительство Москвы поручило сотрудникам ФГУП НИИД начать исследования по адаптации для работы на диметилэфире двигателей КамАЗ. Специалисты института успешно справились с поставленной задачей: к середине 2006 г. автофургон АФ 47415Н на шасси КамАЗ-65117 (6х4) превратился в автомобиль, оборудованный аппаратурой для работы на ДМЭ. К нему присоединятся еще две такие же машины и 15 грузовиков ЗИЛ-5301, на которых установлена модернизированная система питания на ДМЭ. Сохранив с ЗИЛ-5301 одинаковую принципиальную схему, емкость из двух последовательно расположенных баллонов для диметилэфира на КамАЗе увеличили до 380 л, более мощными стали топливоподающие насосы.

В Японии автомобиль с диметилэфировой установкой создан под эгидой AIST (Национального института развития промышленности, науки и технологии), объединившего усилия целой группы организаций и фирм, которые принимали участие в проекте. В качестве базовой модели взяли грузовик Forward FRR35J4S компании Isuzu полной массой 8 т, оснащенный рядным шестицилиндровым 180-сильным дизелем 6HL1 рабочим объемом 7,2 л. Двигатель оборудован прямым впрыском топлива и неохлаж-даемой системой рециркуляции отработавших газов EGR с увеличенной рабочей поверхностью. Для очистки выхлопных газов установлен каталитический нейтрализатор (типа Pb/Pt), а в ДМЭ для улучшения смазывающей способности добавлено 500 ppm присадки (жирного кислотного типа). Принципиальная схема системы подачи диметилэфира в ТНВД напоминает разработки российских конструкторов, за исключением некоторых особенностей. Концепция японской разработки, по замыслу проектировщиков, предусматривала решение сразу нескольких задач:

- обеспечение теплотворной способности и продолжительности при впрыске ДМЭ, аналогичных показателям при использовании дизельного топлива;

- достижение номинальной мощности при работе на ДМЭ, равной мощности дизельного двигателя на всех скоростных режимах;

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 7 (87) 2010

© Scientific Technical Centre «TATA», 2010

- достижение теплотворной эффективности ДМЭ, сопоставимой с аналогичным показателем при сгорании дизельного топлива;

- соответствие показателей выбросов отработавших газов допустимым нормам, принятым в Японии в

2003 г., при использовании обычного метода очистки газов с помощью каталитического нейтрализатора;

- пробег автомобиля с ДМЭ должен составлять около 500 км без дозаправки;

- безотказная работа топливной системы во время испытаний;

- подтверждение заявленных характеристик автомобиля во время ходовых испытаний на дорогах общего пользования.

Испытания грузовика начались в конце октября

2004 г. и проводились на автомагистралях в центральной части Японии. При общем пробеге 13 тыс. км (на март 2006 г.) автомобиль, работавший ни ди-метилэфире, показал неплохие результаты. Уровень токсичных веществ и шумового излучения оказался меньше предусмотренных по действующим в стране экологическим нормам. Пробег без дозаправки составил 500 км, а работа топливного насоса высокого давления не вызывала нареканий. Таким образом, разработчики рассчитывают, что грузовик, оборудованный топливной системой с ДМЭ, сумеет занять свою нишу на транспортном рынке страны.

Идея применения ДМЭ в качестве моторного топлива для двигателей с воспламенением от сжатия, возможности его крупномасштабного производства и первые результаты использования в дизелях были опубликованы фирмами АМОСО и NAVISTAR (США), Haldor Topsoe (Дания) и AVL (Австрия) в 1995 г. на конгрессе SAE в Детройте (США). Уже первые испытания ДМЭ в качестве топлива для дизелей свидетельствовали о том, что ДМЭ представляет собой многообещающее альтернативное топливо.

На кафедре «Эксплуатация водного транспорта» проводились экспериментальные исследования работы дизеля 1417,5/24 при использовании ДМЭ в качестве присадки к воздуху. Результаты показали значительные улучшения технико-экономических и экологических показателей работы дизеля. При процентном увеличении содержания ДМЭ от 1,78 до 3,56% в качестве присадки к воздуху скорость нарастания давления во всех случаях меньше скорости нарастания давления при использовании чистого ДТ. Дизель работал мягче при использовании ДМЭ в качестве присадки к воздуху из-за более высокого значения цета-нового числа ДМЭ по сравнению с ДТ. Другим положительным эффектом при использовании ДМЭ в качестве присадки к воздуху является отсутствие эмиссии оксидов азота и сажи при работе дизеля на холостом ходу на чистом ДМЭ.

Из полученных результатов исследований можно сделать вывод, что ДМЭ по своим физико-химическим показателям и данным моторных испытаний может стать одним из широко применяемых видов моторного топлива [3, 4, 5].

Экспериментальная установка для испытаний судового дизеля 1417,5/24 на диметиловом эфире

Объектом исследования является судовой вспомогательный дизель 1417,5/24, жестко связанный с генератором переменного тока. Дизель, установленный в лаборатории тепловых двигателей, переоборудован в одноцилиндровый отсек. Поршневая группа, шатуны сняты с 1-го и 3-го цилиндров. При этом маслоподводящие отверстия в КВ заглушены. Нагрузочным устройством служит электрогенератор, питающий нагреватель воздуха, состоящий из стандартных электронагревательных элементов ТЭН-400.

Для осуществления подачи диметилового эфира в цилиндр двигателя и измерения давления в цилиндре переоборудована цилиндровая крышка путем установки дополнительной форсунки и датчика избыточного давления (рис. 1).

Ферсума дш подачи ИТ Датчик дабления

л

Рис. 1. Переоборудованная крышка цилиндра Fig. 1. Reconstructed cylinder head

Разработка топливной системы дизеля 1417,5/24 для работы на диметиловом эфире

Наиболее перспективными ТС для работы на ДМЭ являются аккумуляторные топливные системы с электронным управлением, поскольку в них можно обеспечить наиболее точную дозировку топлива и возможно изменение момента и продолжительности впрыска при помощи электронного блока управления (ЭБУ). Разработанная система работает по принципу: создание давления и процесс непосредственного впрыска топлива в камеру сгорания полностью разделены. Высокое давление в топливной системе создается топливным насосом высокого давления Citroen C5 независимо от частоты вращения колен-

чатого вала двигателя и количества впрыскиваемого топлива. Топливо, готовое для впрыска, предварительно закачивается в аккумулятор (рампу) и находится там под высоким давлением до 130 МПа. Количество впрыскиваемого топлива (цикловая подача) определяется действиями оператора, а угол опережения и давление впрыска определяются электронным блоком управления на основе программируемых матриц характеристик, хранящихся в памяти микропроцессора. В ЭБУ поступают сигналы со всех датчиков (датчики частоты вращения коленчатого и распределительного валов, температуры охлаждающей жидкости и впускного воздуха, давления топлива и др.). Используя входные сигналы датчиков, ЭБУ определяет на данный момент времени рабочую характеристику двигателя и выдает управляющий пусковой сигнал на соответствующие электромагнитные клапаны, в результате чего осуществляется впрыск топлива электромагнитной форсункой в каждый цилиндр [6, 7, 8].

Для реализации экспериментальных исследований предлагается дооборудовать топливную систему дизеля системой подачи сжиженного ДМЭ непосредственно в цилиндр дизеля (рис. 2).

Принцип действия этой системы следующий. Из расходного баллона жидкая фаза диметилового эфира забирается топливоподкачивающим насосом и под давлением 0,7-0,8 МПа поступает к топливному насосу высокого давления. Из насоса ДМЭ по трубопроводу высокого давления подается к топливной рампе, а из нее - к форсунке. Распределительная топливная рампа служит в качестве топливной емкости, в которой давление топлива поддерживается постоянным при помощи датчика и регулятора давления топлива. Впрыск топлива осуществляется через топливные форсунки, которые открываются в зависимости от команды блока управления. Управление работой системы впрыска топлива осуществляется электронным блоком управления. ЭБУ - по сути, специализированный микрокомпьютер, обрабатывающий данные, поступающие с датчиков, и по определенному алгоритму управляющий исполнительными механизмами. По результатам опроса определенных в программе датчиков программа ЭБУ осуществляет управление исполнительными механизмами. Функциональная схема системы управления двигателем представлена на рис. 3.

Рис. 2. Принципиальная схема системы подачи ДМЭ и ДТ в цилиндр дизеля Fig. 2. Schematic diagram of the supply system, DME and DT the cylinder diesel engine

Датчик положения KB Форсунка

ЭБУ

Датчик давления топлива в топливной рампе Регулятор давления топлива

Рис. 3. Функциональная схема системы управления двигателем Fig. 3. Functional diagram of the engine management system

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 7 (87) 2010

© Scientific Technical Centre «TATA», 2010

В данной системе непосредственного впрыска топливо впрыскивается непосредственно в камеру поршня. Впрыскивание топлива осуществляется под очень высоким давлением за счет использования топ-ливораспределительной рампы, общей для всех электромагнитных форсунок (называемой "common rail").

Давление впрыскивания топлива может достигать следующих значений:

- 100 бар: при высокой частоте вращения;

- 70 бар: на холостом ходу;

- 30 бар: на переходном режиме.

Данная система впрыска дает следующие основные преимущества:

- снижение расхода топлива;

- повышение максимальной мощности двигателя;

- повышение крутящего момента двигателя.

Рис. 4. Система непосредственного впрыска на базе Citroen C5 Fig. 4. The system of direct injection on the basis of Citroen C5

На рис. 4: 14 - инжектор(ы) для впрыска бензина; 19 -топливораспределительная рампа для питания инжекторов; 23 - головка цилиндров; 72 - амортизатор пульсаций; 73 -защелкивающийся соединительный элемент на входе низкого давления; 74 - штуцер отводящего топливопровода высокого давления; 75 - топливный насос высокого давления; 76 - термическая проставка; 77 - уплотнение камеры сгорания; 78 - уплотнительное кольцо-шайба, препятствующая отворачиванию; 79 - удерживающий фиксатор; 80 - звукозащитный экран; 81 - регулятор давления топлива; 82 - датчик высокого давления топлива; 83 - трубка питания топливом; 84 - трубка питания топливом; 85 -клапан типа шредер; q - к трубопроводу питания топливом (топливного бака); г - приводной кулачок.

Давление на выходе из топливоподкачивающего насоса: 5 бар.

Рис. 5. Топливный насос высокого давления Fig. 5. High pressure fuel pump

На рис. 5: 1 - входное быстроразъемное соединение низкого давления; 2 - выходное соединение высокого давления; 3 - кулачковая система привода; 4 - качающаяся шайба; 5 - поршень высокого давления (масляная камера); 6 - мембрана создания высокого давления топлива; 7 - мембрана; 8 - клапан всасывания топлива; 9 - предохранительный клапан; 10 - обратный клапан (контур высокого давления топлива); 11 - топливный фильтр (несъемный); 12 - разделительная мембрана масло/топливо; a - масляная камера; b - атмосферное давление; c - камера расширения масла; d - топливная камера высокого давления; e - масляная камера.

Система непосредственного впрыска топлива НР1 (рис. 4) отвечает европейским требованиям, относящимся к следующим элементам: топливная экономичность; система снижения токсичности; механическая надежность.

Топливный насос высокого давления (рис. 5) получает топливо под низким давлением от питающего топливного насоса.

Топливный насос высокого давления состоит из 2 камер (одна для диметилового эфира, другая для масла для смазки механических частей насоса), разделенных мембраной из эластомера 12.

Подача осуществляется тремя аксиально расположенными поршнями 5, приводимыми наклонной качающейся шайбой 4.

Высокое давление топлива создается воздействием поршней 5 на мембрану 6 посредством подушки масла, содержащегося в масляной камере а.

Повышение давления в масляной камере а вызывает перемещение мембраны 6 и повышение давления в камере ё.

Топливо нагнетается в трубопровод высокого давления через запорный клапан 10 (1 клапан на поршень).

Камера расширения масла:

- камера расширения масла позволяет компенсировать изменения объема масла (расширение, сжатие);

- при работе насоса при комнатной температуре мембрана 7 занимает среднее положение.

Предохранительный клапан 9 позволяет ограничить давление топлива при чрезмерном давлении (специальная калибровка = 130 бар) [9, 10].

Выводы и перспективы дальнейших исследований

В настоящее время в лаборатории тепловых двигателей АГТУ ведутся подготовительные работы для проведения экспериментальных исследований работы дизеля 1417,5/24 при использовании диметилово-го эфира в качестве основного вида топлива с целью повышения его экологических и технико-экономических показателей. Ведутся работы по приобретению и установке необходимого оборудования и устройств.

Предложенные рекомендации для использования ДМЭ как топлива и как присадки к воздуху могут быть полезны при применении данного топлива как на водном, так и на наземном видах транспорта с дизельными двигателями. Дальнейшие исследования в данной области будут направлены на применение других видов топлив (пропан, метан, аммиак), способствующих снижению токсичности отработавших газов дизельных двигателей.

Список литературы

1. Астахов В.И., Голубков Л.Н., Трусов В.И. и др. Топливные системы и экономичность дизелей. М.: Машиностроение, 2000.

2. Виноградов Л.В., Горбунов В.В., Патрахальцев Н.Н. Применение газовых топлив в двигателях внутреннего сгорания. М.: Изд-во ИРЦ Газпром, 2004.

3. Голубков Л.Н., Померанцев Е.М. Исследование истечения сжиженного газа через элементы топливной системы дизеля и обоснование метода расчета процесса впрыскивания топлива // Двигатели внутреннего сгорания: проблемы, перспективы развития. Сб. науч. тр. МАДИ (ГТУ). М.: Изд-во МАДИ, 2005. С. 229-244.

4. Голубков Л.Н., Филипосянц Т.Р., Иванов А.Г., Ишханян А.Э. Результаты испытаний дизеля, использующего в качестве топлива диметиловый эфир // Автомобили и двигатели: Сб. научн. тр. НАМИ. М., 2003. Вып. 231. С. 41-51.

5. Проблемные вопросы применения диметилово-го эфира в качестве топлива для дизелей // Сб. научн. тр. НАМИ. М., 2001. С. 133-140.

6. Луканин В.Н., Хачиян А.С., Водейко В.Ф., Шишлов И.Г., Федоров В.М. Сравнительный анализ способов конвертации дизеля в двигатель, питаемый частично или полностью природным газом // Научные труды НИИ энергоэкологических проблем автотранспортного комплекса МАДИ. М., 2003. С. 57-65.

7. Григорев М.А., Долецкий В. А., Желтяков В. Т., Субботин Ю.Г. Обеспечение качества транспортных двигателей. Т. 1. М.: Изд-во Стандартов, 1998.

8. Разработка и создание рабочего процесса и элементов ТА двигателей, использующих в качестве топлива диметиловый эфир, синтез-газ, природный газ. Отчет. Том I. МАДИ, № Б550300. Руководитель темы В.Н. Луканин, руководитель раздела темы Л.Н. Голубков. М., 2000.

9. Шкаликова В.П., Патрахальцев Н.Н. Применение нетрадиционных видов топлив. М., 1998.

10. Мамедова М.Д., Васильев Ю.Н. Транспортные двигатели на газе. М.: Машиностроение, 2004.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 7 (87) 2010

© Scientific Technical Centre «TATA», 2010