CC BY
9Улучшение показателей работы дизеля на бинарном биоуглеводородном топливе
В.М. Фомин,
профессор РУДН, д.т.н., Рами Атраш,
аспирант РУДН (Ливан)
Предложен комплексный метод совершенствования эколого-эконо-мических показателей дизеля на основе применения двухкомпонентного биодизельного топлива и средств химической активации.
Ключевые слова: бинарные топлива, дизельный двигатель, эколого-экономические показатели.
Improving of diesel engine work indicators on base of binary bio hydrocarbon fuel
V.M. Fomin, Rami Atrash (Lebanon)
A comprehensive method of improving the ecological and economic indicators of a diesel engine on the basis of two-component biodiesel fuel and agents of chemical activation.
Keywords: binary fuels, diesel engine, ecological and economic indicators.
Одним из решений проблем повышения экологической и топливно-энергетической безопасности в сфере эксплуатации мобильной дизельной техники является замена традиционного углеводородного топлива на биотоплива, в частности, на основе растительных масел. Аккумулирующая солнечную энергию биомасса является практически неограниченной сырьевой базой для получения моторного топлива. Основной причиной, сдерживающей широкое применение биотоплив в дизелях, является несоответствие их физико-химических свойств требованиям эффективной организации рабочего процесса. В этих условиях очевидна необходимость приближения моторных свойств
биологических топлив к стандартным свойствам дизельного топлива.
Одна из таких мер - использование двухкомпонентных биодизельных топлив, при варьировании составом которых возможно достижение у них наиболее приемлемых физико-химических свойств. С учетом сложного характера влияния доли биологического компонента в составе смесевого топлива на расход топлива и эмиссию вредных веществ (ВВ) задача выбора его состава для конкретного двигателя должна ставиться как оптимизационная.
Другой эффективной мерой, улучшающей кинетические и экологические качества сгорания биотоп-лив, является применение средств
химической активации [1]. Особое место среди них занимает водород. Высокая эффективность водорода как химического активатора (реагент) подтверждена данными многочисленных экспериментов. Массовое использование водорода в дизелях в качестве химического активатора сдерживается отсутствием инфраструктуры его производства и распределения, высокой стоимостью, низким уровнем эксплуатационной безопасности. Экономически оправданный и безопасный способ, предложенный в данной работе, предусматривает аккумулирование (хранение) водорода на борту мобильного средства в химически связанном состоянии в виде жидкого соединения (метанол) [1].
Можно предположить, что скоординированное воздействие на показатели работы биодизеля одновременно двух физико-химических факторов -оптимизации компонентного состава смесевого топлива и применения химического реагента - предопределяет возможность эффективного использования биотоплив в дизелях.
Для обоснования методологического подхода проведено предварительное математическое изучение влияния физических свойств биологического топлива на характеристики смесеобразования с использованием программного комплекса MathCAD. В качестве базовых показателей были использованы плотность, динамическая вязкость, поверхностное натяжение метилового эфира рапсового масла (МЭРМ). Установлено, что вследствие повышения значений этих показателей средний диаметр капель биотоплива увеличивается по сравнению с дизельным топливом, что вызывает рост задержки воспламенения и его температурной чувствительности к процессу воспламенения. При этом угол рассеивания (раскрытие) топливной струи и ее боковая поверхность уменьшаются, что приводит к снижению количества испарившегося топлива за период задержки
«Транспорт на альтернативном топливе» № 5 (29) октябрь 2012 г.
11^ ffHi И1ЛПГ I мтШ| Т1Г1Г т~1|П^ПТ11ГТЯИ1И>1%-
воспламенения. Более высокие плотность и динамическая вязкость биотоплива обусловливают возрастание дальнобойности топливной струи, увеличение доли менее активного пленочного смесеобразования и более медленное изменение давления в цилиндре двигателя в фазе диффузионного сгорания, что увеличивает длительность сгорания в цикле и соответственно снижает его эффективность.
Из приведенных данных становится очевидным, что для сохранения эффективности рабочего цикла дизеля при его переводе на биологическое топливо в исходном варианте (работа на дизельном топливе) необходимо предусмотреть серьезные изменения в его конструкции и системе топли-воподачи. Все эти меры, очевидно, сопряжены с большими финансовыми и техническими затратами. В качестве альтернативного решения ряда отмеченных проблем для биодизеля могут оказаться меры, повышающие реакционную способность горючей смеси на основе использования водородного химического реагента.
Предварительно следует заметить, что корректное (с учетом целевой направленности) понимание термина «водород как химический реагент» не соответствует общеизвестному физическому пониманию добавки водорода к топливу как полноправной энергетической составляющей, а рассматривается как незначительная по величине, строго оптимизированная реакционно-химическая присадка, обладающая каталитическим свойством, к реагирующей биоуглеводородной среде. В этом случае предполагается, что влияние водородного реагента, как источника активных центров, проявляется главным образом в механизме химической кинетики образования ВВ. В итоге эмиссия ВВ уменьшается практически без повышения исходных максимальных уровней температуры и давления в рабочем цикле биодизеля. С учетом этого аналитически
обоснован алгоритм корректного дозирования водородосодержащего реагента в структуре системы питания биодизеля. Оптимальное содержание водорода как химического реагента соответствует (по энергетическому
эквиваленту) 1,6___1,8 % от химической
энергии смесевого биоуглеводородного топлива [1].
Детальный механизм воздействия подобного реагента на процессы окисления (сгорание) бинарных биоуглеводородных топлив до настоящего времени остается еще малоисследованным. Тем не менее, опираясь на известные положения теории химической кинетики и катализа, можно высказать предварительное обоснование характерного проявления свойств химического реагента, влияющих на горение углеводородных и биологических компонентов бинарного топлива:
• реакционная активность водородного реагента способствует уменьшению (примерно в 3,5 раза по сравнению с дизельным топливом) толщины зоны гашения (пристеночный слой, в котором не идут окислительные процессы) и, как следствие, снижению эмиссии несгоревших продуктов смесевого топлива и частиц;
• по этой же причине происходит горение в присутствии водородного реагента в непосредственной близости от стенок камеры сгорания, в вытеснителях и зазоре между цилиндром и поршнем, что также снижает эмиссию несгоревших компонентов топлива;
• водородный реагент инициирует окислительные процессы в горючей смеси благодаря тому, что энергия, необходимая для начала реакции окисления водорода, примерно в 10 раз ниже той, которая необходима для компонентов используемого топлива;
• эффективность использования химической энергии смесевого топлива в завершающей фазе сгорания повышается вследствие активации реагентом догорания продуктов неполного сгорания.
Перечисленный комплекс возможных вариантов воздействия водоро-досодержащего реагента на процессы термохимического преобразования смесевого топлива в дизеле, безусловно, не является исчерпывающим и не исключает другие виды воздействия реагента на сложный механизм этого преобразования. Тем не менее, он позволяет в первом приближении прогнозировать качественные изменения в характерных процессах рабочего цикла биодизеля благодаря реакционному влиянию химического реагента.
На сегодняшний день водородный реагент - единственный и наиболее эффективный реакционно-химический инструмент, способный активно воздействовать на выгорание углеводородных и биологических компонентов топлива и образовавшейся сажи, повышая полноту сгорания смесевого топлива в целом. Подобные уникальные свойства водорода обусловлены его способностью генерировать активные частицы, являющиеся центрами зарождения цепных реакций в процессах окисления бинарного топлива [1].
Одним из ключевых вопросов при использовании смесевых топлив является оценка их эффективности с учетом компонентного состава. При смешивании дизельного (углеводородного) топлива с продуктом биологического происхождения в оптимальных пропорциях возможно достижение физико-химических свойств бинарного топлива, при которых обеспечивается предельно возможное улучшение экономических и экологических показателей биодизеля.
С применением методики [2] проведена оценка эффективности использования в дизеле типа 4Ч 10,5/12 двухкомпонентных топлив на основе МЭРМ и дизельного топлива. По результатам оптимизации состава смесе-вого биотоплива для данного дизеля установлено, что в рамках поставленной задачи доля биологического компонента (МЭРМ) в дизельном топливе
ЙИИИИР ШШД ЛЪаъ ¡ЯД уо «Транспорт на альтернативном топливе» № 5 (29) октябрь 2012 г.
должна соответствовать 40 % [2]. В этой же работе было показано, что при использовании бинарного топлива оптимального компонентного состава нормативные экологические требования выполняются по всем токсичным компонентам, за исключением выбросов оксидов азота. Повышение выбросов NOx вызывает биологическая добавка к дизельному топливу, что обусловливает целесообразность дальнейшего поиска решения данной проблемы, в частности, на основе использования водородного реагента.
Концепция предлагаемого метода
Анализ и обобщения результатов исследований позволяют наметить ряд положений, которые могут стать основой концепции комплексного метода по совершенствованию показателей работы биодизеля. Концепция базируется на трех основных положениях, которые в общем виде могут быть сформулированы следующим образом.
1. С учетом того, что создание высокоэффективного рабочего цикла дизеля при переводе его на биологическое топливо требует внесения изменений в базовую конструкцию ДВС и его топливную аппаратуру, предлагается частичная замена дизельного топлива биологическим компонентом. При применении бинарного топлива с сохранением базовой комплектации двигателя необходимо решить задачи, связанные с отличием физико-химических свойств биологического топлива от свойств традиционного нефтяного.
2. Учет сложного характера влияния доли биологической составляющей в составе бинарного топлива на экологические и топливно-экономи-ческие показатели двигателя делает необходимым выбор рационального компонентного состава смесево-го топлива на основе обобщенного критерия оптимальности, который позволяет интегрально оценить оп-
тимальную долю топлива. При этом прогнозируется предельно возможное улучшение указанных показателей биодизеля.
3. Одной из ключевых сопутствующих проблем, возникающих при использовании биологических добавок к углеводородному топливу, является повышение эмиссии оксидов азота. Для снижения эмиссии токсичных веществ с ОГ, в первую очередь, оксидов азота, в составе рабочего тела биодизеля необходимо предусмотреть строго дозированную порцию химически активного реагента. Благодаря применению реагента дополнительно прогнозируется также повышение полноты сгорания и, как следствие, эффективности использования энергии смесевого топлива.
Таким образом, понятие «комплексный метод» предопределяет скоординированное совокупное воздействие на показатели работы биодизеля одновременно двух физико-химических факторов, один из которых обусловлен оптимизацией компонентного состава смесевого топлива, другой - применением химического реагента (рис. 1).
Стратегию предлагаемой концепции следует рассматривать как один из альтернативных вариантов решения ряда проблемных вопросов в контексте обсуждаемой проблемы. Использование концепции, средств
и метода ее реализации может быть успешно совмещено с рядом других известных мероприятий, дополняя и усиливая при этом их совокупную эффективность.
Экспериментальная апробация эффективности предложенной концепции проведена в моторном боксе лаборатории кафедры «Эксплуатация автотранспортных средств» Российского университета дружбы народов (РУДН). С этой целью создан испытательный стенд с дизелем типа 4Ч 10,5/12, который был оснащен устройствами для измерения и контроля его параметров. Для генерирования химического реагента разработан опытный образец реактора конверсии метанола, функциональные параметры которого были адаптированы с учетом результатов расчетного анализа [1] к условиям работы дизеля 4Ч 10,5/12 на смесевом топливе. В структурную схему штатной системы питания дизеля встраивалась опытная подсистема ввода и дозирования реагента. Для измерения компонентного состава ОГ стенд оборудован газоаналитической аппаратурой и дымомером 415Б, входящими в состав стандартного диагностического комплекса У1БА-4000 (Италия).
На предварительном этапе испытаний проведена проверка алгоритма управления расходом добавки химического реагента к рабочему телу
Рис. 1. Схема, поясняющая концепцию практической реализации предлагаемого комплексного метода
«Транспорт на альтернативном топливе» № 5 (29) октябрь 2012 г.
.....ттигятп,.,
Уш]
Альтернативные топлива
0,0
-10
-20
-30
-40
ч
I
I
вен Seo 6NOx бдч П
Среднеинтегральные за цикл показатели работы биодизеля
(8)
Рис. 2. Влияние оптимизированной добавки МЭРМ к дизельному топливу и присадки водородного реагента на среднеинтегральные за испытательный цикл удельные массовые выбросы нормируемых компонентов ОГ (СН, СО, N0^ и ДЧ) и интегральный эффективный КПД биодизеля при его работе по регламенту испытательного цикла Правил № 96 ЕЭК ООН: 1 - дизельное топливо; 2 - смесевое топливо; 3 - смесевое топливо + Н2-реагент
дизеля, работающего на биоуглеводородном смесевом топливе, а также потенциальной производительности реактора на соответствие этому алгоритму. По результатам проверки установлено, что потенциальная производительность генератора химического реагента обеспечивает необходимые условия реализации алгоритма, при котором достигается предельно возможное снижение уровня эмиссии ВВ в рабочем диапазоне изменения режимов биодизеля.
Логика последующих испытаний строилась в русле стандартного регламента 8-режимного испытательного цикла Правил ЕЭК ООН № 96 для дизелей транспортных средств на базе колесных тракторов [3]. Установлено, что среднеинтегральные за испытательный цикл удельные выбросы нормируемых компонентов ОГ (СО, СН и ДЧ) для дизеля 4Ч 10,5/12 при его переводе на бинарное топливо с оптимизированным компонентным составом (60 % дизельного топлива + 40 % МЭРМ) были снижены. Однако при этом выбросы оксидов азота, как
и ожидалось, возрастали по отношению к исходному варианту (работа на дизельном топливе), который для наглядности на диаграмме рис. 2 принят в качестве базового.
При работе дизеля на том же бинарном топливе с присадкой водоро-досодержащего реагента к рабочему телу среднеинтегральные за цикл удельные массовые выбросы по сравнению с исходным вариантом уменьшились: для монооксида углерода на 11,2 %, для углеводородов на 32,8 %, для дисперсных частиц на 48 %. При этом выбросы NОx оказались ниже уровня выбросов этого компонента ОГ не только для дизеля, работающего на смесевом биоуглеводородном топливе, но и для его исходного варианта (на 11,9 %).
Среднеинтегральный за цикл удельный эффективный расход топлива увеличился на 1,3 % вследствие более низкой теплоты сгорания биоуглеводородного топлива по сравнению с углеводородным (дизельное) топливом. Однако эффективность использования энергии
биоуглеводородного смесевого топлива возросла, о чем свидетельствует повышение результирующего за испытательный цикл эффективного КПД пе(8) на 3,5 %.
Таким образом, становится очевидной целесообразность скоординированного и совокупного воздействия на показатели работы биодизеля одновременно двух факторов - оптимизации компонентного состава смесевого топлива и применения химического реагента - и, следовательно, эффективность предложенной концепции комплексного метода в целом.
С учетом данных проведенного исследования можно утверждать, что стратегия подобного комплексного подхода не только решает известные проблемные вопросы биодизеля, но и позволяет его преобразовывать в конкурентоспособную энергетическую установку для транспортных средств с более высокими эколо-го-экономическими показателями по сравнению с дизелями, работающими по традиционным способам организации рабочего процесса (на дизельном топливе).
Литература
1. Фомин В.М., Платунов А.С.
Водород как химический реагент для совершенствования показателей работы автомобильного двигателя с НВБ // Транспорт на альтернативном топливе.
- 2011. - № 4 (22). - С. 30-37.
2. Фомин В.М., Атраш Рами. Разработка бинарных топлив для энергетических установок транспортных средств // Транспорт на альтернативном топливе.
- 2012. - № 4 (28). - С. 28-30.
3. ГОСТ Р 41.96-2005 (Правила ЕЭК
ООН № 96) Единообразные предписания,
касающиеся двигателей с воспламенением от сжатия, предназначенных для уста-
новки на сельскохозяйственных и лесных тракторах и внедорожной технике, в от-
ношении выброса вредных веществ этими двигателями. -М.: Стандартинформ,
2005. - 108 с.
«Транспорт на альтернативном топливе» № 5 (29) октябрь 2012 г.
