CC BY
225
УДК 621.436.068:519.24
М. Н. Покусаев, О. И. Теренин, Нгуен Ха Хиеп
ТОПЛИВНАЯ СИСТЕМА СУДОВОГО ДИЗЕЛЯ,
РАБОТАЮЩЕГО НА ДИМЕТИЛОВОМ ЭФИРЕ
Введение
В течение последних десятилетий ведутся интенсивные исследования альтернативных топлив. Однако первоначальные причины пристального внимания к этой проблеме изменились. Долгое время это внимание обусловливал спрос на сырье для автомобильных топлив (АТ), т. к. его поставки сильно зависят от небольшого числа стран, экспортирующих нефть. В настоящее время основной причиной изучения АТ становится их негативное воздействие на окружающую среду в виде вредных выбросов. Большое внимание уделяется снижению объемов таких выбросов, как оксиды азота КОх, оксид углерода СО, летучие органические соединения и частицы углерода (сажа). Исследуется также рост выбросов диоксида углерода СО2 в атмосферу, вызывающих глобальное потепление. Очевидно, что при обсуждении вопроса о выборе топлив для дизелей, помимо их воздействия на окружающую среду, учитываются также технологии производства и наличие сырьевых источников [1, 2].
В России предпочтительным представляется частичное замещение традиционных видов моторного топлива синтетическими жидкими углеводородами, получаемыми из природного газа, в силу низкой себестоимости и практической неограниченности их ресурсов в стране. Из всех видов перспективного топлива для двигателей внутреннего сгорания особого внимания заслуживает химически инертный диметиловый эфир СН3-О-СН3 (ДМЭ), который удовлетворяет перечисленным требованиям. В настоящее время это единственное синтетическое топливо, которое способно обеспечить полную замену традиционного дизельного топлива (ДТ). Интерес к ДМЭ эфиру объясняется и тем, что в последние годы отечественная химическая промышленность разработала новые технологии его получения из метана. Достижения московских нефтехимических научноисследовательских институтов и предприятий позволяют впервые в стране приступить к целенаправленным работам по практическому внедрению ДМЭ в качестве альтернативы ДТ и начать эксплуатацию дизельного транспорта на этом экологически чистом виде топлива.
Адаптация обычных дизелей для работы на ДМЭ заключается в модернизации существующей топливоподающей аппаратуры. Поскольку плотность ДМЭ на 20 %, а удельная массовая теплотворность на 32 % ниже, чем таковые ДТ, для сохранения энергоемкости объемная подача ДМЭ в цилиндры двигателя должна быть значительно большей (объемная теплотворная способность ДМЭ составляет 18,2 МДж/л). Для устранения склонности к задирам прецизионных трущихся пар в конструкции топливоподающей аппаратуры принимаются специальные меры, например подвод к плунжерным парам масла под давлением с целью их уплотнения, а также подмешивание к ДМЭ специальной противозадирной присадки. По зарубежным данным, этот компонент способствует увеличению кинематической вязкости ДМЭ до уровня кинематической вязкости ДТ [3, 4].
Целью исследований являлась разработка нового варианта топливной системы для использования ДМЭ на судах в качестве топлива.
Использование ДМЭ в топливных системах позволяет решить следующие основные задачи:
— повышение стабильности подачи сжиженного ДМЭ;
— предотвращение утечек ДМЭ в системе;
— снижение эмиссии оксидов азота и сажи при работе дизеля на холстом ходу на чистом
ДМЭ;
— улучшение протекания рабочего процесса, снижение уровня шума и удельного эффективного расхода ДТ.
Топливные системы для использования ДМЭ в качестве топлива
В 2003 г. в Научно-исследовательском автомобильном и автомоторном институте представили первый опытный образец ЗИЛ-5301 со 109-сильным дизелем Минского моторного завода (ММЗ) Д-245.12С, оборудованным однотопливной системой питания - силовая установка
могла функционировать только на ДМЭ. Отправной точкой в практическом воплощении технических замыслов стал выбор принципиальной схемы системы питания дизеля, переоборудованного для работы на ДМЭ. Согласно выдвинутой концепции, ДМЭ хранится в баллоне, оснащенном наполнительной и контрольно-предохранительной арматурой, по конструкции аналогичной применяемой в автомобильных баллонах для сжиженного нефтяного газа, и погружным электрическим насосом. Из баллона ДМЭ под давлением насыщенных паров поступает на вход топливоподкачивающего насоса с электроприводом.
Система питания ДМЭ представляет собой комплект следующих элементов: газовый баллон со вспомогательным оборудованием - заправочным блоком с вентильным (вентильными) устройством (устройствами); указатель уровня; механизм автоматического ограничения наполнения баллона до 80 % его вместимости; предохранительный (пожарный) клапан; рабочий, обратный и скоростной клапаны; система вентиляции, выполненная в виде газонепроницаемого кожуха. Сюда же относятся заправочное устройство со встроенным клапаном, магистральный запорный клапан, газопроводы и шланги, подкачивающие насосы среднего давления, топливный насос высокого давления (ТНВД), топливные форсунки (рис. 1).
Рис. 1. Комплект оборудования, обеспечивающий работу на ДМЭ и ДТ
Эксперименты выявили, что рекомендованный в зарубежных работах способ стабилизации топливоподачи путем значительного повышения давления на входе в ТНВД (до 30 кгс/см2) оказывается не столько труднореализуемым (по соображениям прочности), сколько недостаточно эффективным. Более целесообразно, по оценке специалистов Научно-исследовательского института технологии и организации производства двигателей, рациональное сочетание величины давления на входе в ТНВД (10-15 кгс/см2) с оптимальной степенью рециркуляции отсечного топлива на уровне 6-7-кратной по сравнению с объемной подачей ДМЭ в цилиндры ТНВД. Показатели выбросов при работе по внешней характеристике, мощность и экономичность (в энергетическом эквиваленте) двигателя при питании его ДМЭ и ДТ оказались практически одинаковыми. На всех режимах, включая запуск и холостой ход, двигатель устойчиво работал на ДМЭ при полностью бездымном выхлопе (коэффициент оптической плотности К = 0), тогда как при работе на ДТ наблюдался типичный для дизелей уровень дымности, соответствующий К = 17-28 %. Уровень абсолютных и удельных вредных выбросов при работе на ДМЭ, оцениваемый по методике Правил № 49-02 Европейской экономической комиссии ООН, имел следующие особенности.
1. Уровень выбросов окислов азота КОх на всех режимах был существенно меньше, чем при работе на ДТ. Особенно значительное снижение, в 2-3 раза, наблюдалось на наиболее нагруженных режимах - от 50 до 100 % используемой мощности двигателя.
2. При нагрузке от 50 до 100 % мощности на режиме максимального крутящего момента (при частоте вращения коленчатого вала 1 600 мин-1) уровень выбросов несгоревших углеводородов СН снижался на 20-70 % по сравнению с работой на ДТ, а на режимах малых нагрузок (при использовании мощности двигателя от 10 до 20 %) значительно превышал уровень выбросов при работе на ДТ.
3. Уровень выбросов окиси углерода СО при работе на ДМЭ на всех режимах превышал соответствующие величины при работе на ДТ. По сравнению с природным газом работа двигателя на режимах внешней характеристики на ДМЭ обеспечивала снижение выбросов КОх в 2,5-3 раза, СО - в 5-6 раз, СН - в 3-3,5 раза [5, 6].
В комплект топливной аппаратуры входят: ТНВД с двухпозиционным упором рейки и плунжерными парами с дренажными канавками, форсунки, опытные распылители, подкачивающий насос с электроприводом, фильтр тонкой очистки топлива, электромагнитные клапаны, газобаллонное оборудование научно-производственной фирмы «САГА». Особенностью созданной инженерами института системы, предназначенной для монтажа на грузовики, является модульность ее конструкции. Большинство компонентов, в том числе 207-литровый бак с ДМЭ и заправочным устройством, а также устройством для ввода присадки ЬиЬЙ2о1, установлено на пространственной раме, которая легко монтируется позади кабины грузовика в специально отведенном для этой цели закрытом отсеке. Простота обслуживания достигается тем, что отсек оборудован дверцами, которые открывают доступ к баллону для его заправки и обеспечивают возможность регулировки исполнительных приборов, установленных на отдельном, удобно расположенном монтажном щите. Речь идет о подкачивающих насосах, электромагнитных клапанах и блоке управления подачей топлива, который позволяет также осуществлять контроль и диагностику системы. Бак с ДТ, размещенный на раме автомобиля, с остальными элементами связан трубопроводами.
Меры пожарной безопасности при монтаже оборудования на экспериментальные установки те же, что на автомобилях, оборудованных газовой системой питания (рис. 2).
Рис. 2. Монтаж оборудования на экспериментальном производстве НИИД
В Японии автомобиль с диметилэфировой установкой создан под эгидой АКТ (Национального института развития промышленности, науки и технологии), объединившего усилия целой группы организаций и фирм, которые принимали участие в проекте. Концепция японской разработки, по замыслу проектировщиков, предусматривала решение сразу нескольких задач:
— обеспечение теплотворной способности и продолжительности при впрыске ДМЭ, аналогичных показателям при использовании ДТ;
— достижение номинальной мощности при работе на ДМЭ, равной мощности дизельного двигателя на всех скоростных режимах;
— достижение теплотворной эффективности ДМЭ, сопоставимой с аналогичным показателем при сгорании ДТ;
— 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 - около 500 км без дозаправки;
— безотказная работа топливной системы во время испытаний;
— подтверждение заявленных характеристик автомобиля во время ходовых испытаний на дорогах общего пользования.
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 КАУКТАЯ (США), НаЫог Тор8ое (Дания) и АУЬ (Австрия) в 1995 г. на конгрессе 8АБ в Детройте (США). Уже первые испытания ДМЭ в качестве топлива для дизелей свидетельствовали о том, что ДМЭ представляет собой многообещающее альтернативное топливо.
Предлагаемый вариант топливной системы судового дизеля
Ниже предлагается вариант подачи ДМЭ в цилиндр судового дизеля параллельно с ДТ.
Топливная система судового дизеля состоит из ряда самостоятельных участков, выполняющих определённые функции: приёмоперекачка, топливообработка, топливоподача к ТНВД и впрыск топлива.
Непосредственно к дизелю относится система топливоподачи (расходно-топливный трубопровод) и топливная система высокого давления, обеспечивающая впрыск топлива. Эти две система имеют общую компоновку и взаимосвязанное функционирование во время работы дизеля [7, 8].
Принцип действия топливной системы, работающей на дизельном топливе, состоит в следующем. Из расходной цистерны, после открытия запорного крана, топливо самотёком по трубопроводу поступает к фильтру тонкой очистки. Из фильтра очищенное топливо через подводящий коллектор поступает к ТНВД. Из насоса топливо под давлением подается по трубопроводу высокого давления к форсункам и впрыскивается в цилиндр. После отсечки избыточное топливо из ТНВД отводится по отдельному трубопроводу в расходную цистерну. Утечки топлива из форсунок также перепускаются по трубопроводу в расходную цистерну. Все внешние потери топлива, вызванные неплотностями в соединениях ТНВД и форсунок, собираются в сточную цистерну.
Топливоподкачивающий насос представляет собой шестерёночный насос с косозубым зацеплением. Подшипники смазываются от циркуляционной системы смазки под давлением. Уплотнение вала осуществляется радиальными уплотнительными кольцами. Конструкция и исполнение топливоподкачивающего насоса не зависят от направления вращения коленчатого вала двигателя.
Вышеизложенная топливная система дооборудована системой подачи сжиженного ДМЭ непосредственно в цилиндр дизеля (рис. 3).
ФИЛЬТР ГРУБОЙ ОЧИСТКИ ТАНК ЗАПАСА ТОПЛИВА
Рис. 3. Система подачи ДТ и ДМЭ
Данная система состоит:
- из расходного бака для ДМЭ автомобильного типа вместимостью 40 л с рабочим давлением 1,6 МПа;
- баллона со сжатым ДМЭ;
- модернизированного ТНВД;
- дополнительной форсунки для подачи ДМЭ;
- арматуры;
- контрольно-измерительных приборов.
Принцип действия системы следующий. Из расходного баллона жидкая фаза ДМЭ через трубку забора газа мультиклапана РЗАА под давлением 0,7-0,8 МПа поступает к ТНВД. Из насоса ДМЭ по трубопроводу высокого давления подается к форсунке. Постоянное давление в расходном баллоне поддерживается за счет подачи сжатого азота под давлением порядка 1 МПа, подаваемого из дополнительного баллона с одноступенчатым редуктором, что исключает его испарение ДМЭ [9-11].
Для практической реализации данного способа была переоборудована крышка цилиндра дизеля Ч17,5/24 (рис. 4).
Это позволило осуществить раздельную подачу ДТ и ДМЭ. Была переоборудована также система топливоподачи.
Результаты испытаний дизелей, работающих на ДМЭ, показали реальную возможность значительно снизить уровень вредных выбросов отработавших газов. Так, снижение окислов азота N0,5 в 3-4 раза отмечено при практически бездымной работе двигателя на всех режимах. Кроме того, при работе на ДМЭ выявлено сохранение, а на некоторых режимах - и улучшение до 5 % экономичности дизеля, повышение его эффективного КПД по сравнению с работой на ДТ.
Основным недостатком ДМЭ является малая кинематическая вязкость (на порядок меньше, чем кинематическая вязкость ДТ), в результате чего затрудняется герметизация подвижных узлов уплотнения топливной аппаратуры, а также повышается склонность к задирам прецизионных трущихся пар. По сравнению со сжиженным природным газом теплотворная способность на тонну ДМЭ на 45 % ниже теплотворности на тонну сжиженного природного газа. Для производства ДМЭ требуется не только более высокий уровень предварительных капиталовложений, но и больший объем сырьевого газа для производства продукта с эквивалентной теплотворной способностью. Для снижения выбросов СО и СН необходимо предусмотреть дополнительные меры конструкционного характера.
Рис. 4. Переоборудованная крышка судового дизеля Ч17,5/24:
1 - датчик; 2 - форсунка для подачи ДТ; 3 - форсунка для подачи ДМЭ
Выводы
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пат. РФ № 2135813. Топливная система дизеля для работы на диметиловом эфире / Аллилуев Б. Ф., Аникин С. А., Болдырев И. В. и др.; опубл. 27.08.1999.
2. Топливные системы и экономичность дизелей / И. В. Астахов, Л. Н. Голубков, В. Н. Трусов и др. -М.: Машиностроение, 1990. - 288 с.
3. Виноградов Л. В., Горбунов В. В., Патрахальцев Н. Н. Применение газовых топлив в двигателях внутреннего сгорания. - М.: Изд-во ИРЦ «Газпром», 1996. - 187 с.
4. Гайворонский А. И. Марков В. А., Илатовский Ю. В. Использование природного газа и других альтернативных топлив в дизельных двигателях. - М.: Изд-во ИРЦ «Г азпром», 2007. - 480 с.
5. Голубков Л. Н., Ишханян А. Э. Разработка и исследование топливной системы дизеля, использующего в качестве топлива диметиловый эфир // Луканинские чтения. Проблемы и перспективы развития автотранспортного комплекса: тез. докл. науч.-техн. конф. - М.: МАДИ (ГТУ), 2003. - 186 с.
6. Горбунов В. В., Патрахальцев Н. Н. Токсичность двигателей внутреннего сгорания: учеб. пособие. -М.: Изд-во РУДН, 1998. - 214 с.
7. Акобия Ш. Е., Смирнова Т. Н. Перспективы снижения вредных выбросов при применении диметил-эфира // Грузовик и автобус, троллейбус, трамвай. - 1999. - № 2. - С. 27-29.
8. Морозов К. А. Токсичность автомобильных двигателей: учеб. пособие / МАДИ. - М., 1998. - 84 с.
9. Проблемные вопросы применения диметилового эфира в качестве топлива для дизелей // Сб. науч. тр. Науч.-исслед. автомобильного и автомоторного ин-та. - М., 1998. - С. 133-140.
10. Камфер Г. М., Луканин В. Н., Назаров В. П. Особенности рабочего процесса дизеля при вводе добавок этанола на впуске // Двигателестроение. - 1984. - № 8. - С. 30-44.
11. Ишканян А. Э. Улучшение экологических показателей дизелей путем использования в качестве топлива диметилового эфира [Электронный ресурс]: дис. ... канд. техн. наук: 05.04.02. - М.: РГБ, 2005.
Статья поступила в редакцию 17.07.2009
FUEL SYSTEM OF THE DIESEL ENGINE FOR WORK ON DIMETHYL ETHER
M. N. Pokusaev, O. I. Terenin, Nguyen Ha Hiep
The basic advantages and disadvantages of converting diesel engines for liquefied gases are considered. The variant of fuel system for the dimethyl ether supply into the cylinder of a marine diesel engine is proposed. The basic components of the system such as a motor-like 40l service tank for dimethyl ether with working pressure 1.6 MPa, a balloon with compressed dimethyl ether, a modernized high pressure fuel pump, an additional injector for dimethyl ether, fittings and measuring devices are considered. The recommendations on the softer engine work, on reduction of noise level of the engine, on the improvement of the ecological parameters of the engine are given.
Key words: dimethyl ether, gas system, fuell system, gas, diesel.
