CC BY
112
УДК 629.424.1:502.1
Ю. Б. Гришина, В. А. Михеев, А. С. Анисимов
ВЛИЯНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТОПЛИВА И ТОПЛИВНЫХ ПРИСАДОК
НА ПАРАМЕТРЫ ДИЗЕЛЯ
Задача снижения выбросов вредных веществ тепловозными дизелями может быть решена только комплексом мероприятий, направленных на совершенствование конструкции дизеля, системы технического обслуживания и ремонта дизелей, учетусловий эксплуатации, повышение качества дизельного топлива и масла, создание многофункциональных присадок к дизельному топливу, применение альтернативных видов топлива.
Отработавшие газы (ОГ) тепловозных дизелей представляют собой сложную многокомпонентную смесь газов, паров, капель жидкостей и дисперсных твердых частиц. Всего ОГ двигателей внутреннего сгорания содержат около 280 компонентов, среди которых можно выделить содержащиеся в воздушном заряде цилиндра азот N и кислород 02, продукты полного сгорания топлива (диоксид углерода С02 и водяной пар Н20), вещества, образующиеся в результате термического синтеза из воздуха при высокой температуре (оксиды азота КОх), продукты неполного сгорания топлива (монооксид углерода СО, углеводороды СНХ, дисперсные твердые частицы, основным компонентом которых является сажа), а также оксиды серы, альдегиды, продукты конденсации и полимеризации. Кроме продуктов сгорания топлива в ОГ дизелей присутствуют продукты сгорания смазочного масла и вещества, образующиеся из присадок к топливу и маслу. В незначительных количествах, около 2 %, ОГ содержат водород Н2 и инертные газы.
Наиболее массовыми компонентами продуктов сгорания являются атмосферный азот, диоксид углерода, пары воды и избыточный кислород [1]. На большинстве эксплуатационных режимов их суммарный объем в ОГ составляет 90 - 95 %. Из этих основных компонентов лишь углекислый газ относится к слаботочным веществам. Объемная концентрация токсичных веществ в ОГ сравнительно невелика и составляет 0,2 - 2 %. При этом около 80 -95 % от общей массы токсичных компонентов ОГ приходится на долю пяти основных элементов: КОх, СО, СНХ, альдегидов ЯСНО, диоксида серы Б02. Наибольшее содержание альдегидов в ОГ отмечается при работе непрогретого двигателя на режимах пуска и холостого хода, имеющих иногда сравнительно большую долю в общем распределении режимов работы.
Наиболее значимые газообразные токсичные компоненты ОГ - оксиды азота К0Х. Это газы, образующиеся в камере сгорания дизелей при температуре свыше 2800 К и давлении около 1,02 МПа. Из оксидов азота К0Х, содержащихся в ОГ дизелей, 80 - 90 % объема приходится на монооксид N0 и 10 - 20 % - на диоксид N0^ Монооксид азота является нестабильным компонентом. В атмосфере при нормальных условиях N0 окисляется до N02 примерно за 100 часов.
Монооксид углерода (угарный газ) СО присутствует в атмосфере в очень малых количествах, а в ОГ двигателей внутреннего сгорания его содержание может достигать высоких удельных значений. Время его существования в атмосфере достигает 42 месяцев, за этот срок он окисляется до углекислого газа.
Отработавшие газы двигателей внутреннего сгорания содержат до 200 различных углеводородов, представляющих следующие гомологические ряды: алканы или парафины, алке-ны или олефины, цикланы или нафтены, ароматические углеводороды, в том числе полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). Наиболее значимыми из них являются легкие газообразные углеводороды, ароматические углеводороды и ПАУ. К группе легких газообразных углеводородов СНХ, образующихся при сгорании топлива, относятся метан, пропан, этилен, ацетилен и ряд других. Из более тяжелых углеводородов следует отметить ароматические углеводороды - бензол, толуол, ксилол, этилбензол и триметилбензол.
№ 3( 2010
В выхлопных газах дизелей обнаружено более 20 ПАУ. Наиболее токсичным веществом из ПАУ является бензапирен, доля которого в суммарном выбросе ПАУ достигает до 3,7 %.
Сажа состоит в основном из углерода С (до 95 - 98 %) и химически связанного водорода Н (1 - 3 %). Наличие сажи в ОГ двигателей внутреннего сгорания приводит к потере их прозрачности (увеличению оптической плотности) и появлению облака дыма черного цвета. Оптическая плотность ОГ зависит в первую очередь от количества и размеров сажистых частиц, а также от содержания в выхлопе паров воды, несгоревших частиц масла и топлива. Дымление обычно характерно для дизельных двигателей, работающих на режимах с низким коэффициентом избытка воздуха (а < 1,2). Видимое дымление дизелей соответствует содержанию сажи в ОГ в количестве, превышающем 0,1 г/м .
Сажа - не единственное твердое вещество, содержащееся в ОГ. Другие твердые вещества - сульфаты (соли оксидов серы) - образуются при сгорании серы и ее соединений, содержащихся в топливе и масле. Кроме того, в выхлопных газах присутствуют твердые вещества, образующиеся в результате сгорания моторного масла, попадающего в камеру сгорания, а также металлы (сталь, никель, медь, цинк и др.) и их оксиды, являющиеся продуктами износа деталей двигателя и компонентами присадок к топливу и моторному маслу.
Все твердые частицы состоят из растворимых и нерастворимых в органических раство-ригелях фракций. В быстроходных дизелях соотношение между содержанием в ОГ растворимых и нерастворимых фракций составляет 1:9. Первые представляют собой в основном несгоревшие фракции топлива и моторного масла, а последние - сажу. Причем на большинстве эксплуатационных режимов работы дизеля нерастворимые твердые частицы на 20 -30 % состоят из сажи, а остальные компоненты - это в основном оксиды металлов и сульфаты. На режимах работы дизеля с низкими коэффициентами избытка воздуха (а < 1,2) сажа составляет большую часть массы твердых частиц (до 95 - 98 %).
При сгорании серы и ее соединений, содержащихся в топливе и масле, кроме твердых частиц образуются неорганические газы - диоксид серы Б02 и триоксид серы Б03, а также сероводород Н2Б. В ОГ дизелей на долю диоксида серы приходится 97 - 98 % от общего содержания оксидов серы, а на долю триоксида - 2 - 3 %. Диоксид серы Б02 сохраняется в атмосфере от нескольких часов до нескольких дней, а затем окисляется до высшего оксида Б03.
Кислородосодержащие углеводороды - альдегиды ЯСНО - являются продуктами неполного сгорания и образуются на ранних стадиях окисления углеводородов топлива. Для них характерно наличие в молекуле углеводородного радикала Я и карбонильной группы СНО. В ОГ дизелей преобладают низкомолекулярные альдегиды - формальдегид Н2СО, ацетальде-гид Н4С20 и акролеин Н4С30. Первые два представляют гомологический ряд насыщенных альдегидов, третий - ненасыщенных. В ОГ дизельных двигателей на долю формальдегида приходится 71 - 91 % от общего содержания альдегидов, на долю акролеина - 9 - 22 %. В целом в ОГ дизелей содержание альдегидов может достигать 30 мг/м .
Кроме перечисленных токсичных компонентов в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания могут присутствовать фенолы, нитрофенолы, спирты, сложные эфиры и др.
Токсичные вещества, содержащиеся в ОГ тепловозных дизелей, являются в основном продуктами сгорания сжигаемых в камере сгорания видов топлива, поэтому токсичность ОГ зависит от качества применяемого топлива. Используемые в дизелях виды топлива представ -ляют собой смесь индивидуальных углеводородов, имеющих различные физико-химические свойства. Причем в зависимости от происхождения нефти и технологии ее переработки состав товарных видов дизельного топлива и, следовательно, их физико-химические свойства могут быть различными. Это приводит к отличиям экологических показателей дизелей, работающих на штатных видах дизельного топлива.
Среди свойств топлива значительное влияние на выбросы токсичных компонентов оказывают групповой углеводородный, фракционный и элементарный состав топлива, его моторные качества и физические свойства, содержание в топливе серы, химически связанного азота и присадок. Важнейшим свойством дизельного топлива является его самовоспламе-
няемость, определяющая пусковые свойства двигателя, жесткость рабочего процесса, расход топлива, токсичность и дымность ОГ. Самовоспламеняемость характеризуется температурой самовоспламенения - наименьшей температурой, при которой топливо воспламеняется без воздействия постороннего источника.
Основной показатель воспламеняемости топлива в условиях камеры сгорания дизеля -цетановое число (ЦЧ), зависящее от углеводородного состава топлива и диапазона температур его выкипания.
ЦЧ существенно влияет на эмиссию продуктов неполного сгорания топлива и дымность ОГ. Так, при плохой воспламеняемости топлива (низкое ЦЧ) наблюдаются выбросы черного (твердые частицы и сажа) и белого (газообразные углеводороды и мельчайшие капли несго-ревшего топлива) дыма. Особенно заметны эти выбросы на переходных режимах работы дизеля (пусковые режимы, разгон). На начальной стадии переходных режимов в атмосферу выбрасывается смесь черного и белого дыма, а затем преобладает выброс белого дыма. Чем выше ЦЧ топлива, тем короче периоды дымления и меньше общий уровень дымности ОГ. Цетановое число предопределяет содержание в топливе ароматических углеводородов. Повышенное содержание ароматических углеводородов в топливе отрицательно сказывается на выбросах продуктов неполного сгорания - СО, СНХ.
Фракционный состав топлива может оказывать заметное влияние на токсичность ОГ дизеля, в первую очередь - на эмиссию несгоревших углеводородов СНХ и дымность ОГ. Наибольшая эмиссия СНХ наблюдается при работе дизеля на топливе с легким фракционным составом, а наименьшая - с тяжелым. Токсичность ОГ дизелей зависит от содержания в топливе соединений серы. Наличие серы в топливе не оказывает заметного влияния на процесс сгорания, мощностные и экономические показатели двигателя, но в условиях камеры сгорания дизеля (температура, давление) она окисляется с образованием токсичных оксидов серы Б02 и БОз. Выброс этих веществ как продуктов сгорания серы прямо пропорционален содержанию серы в топливе и не может быть скомпенсирован за счет улучшения качества процесса сгорания.
Определенное влияние на эмиссию оксидов азота в продуктах сгорания оказывают имеющиеся в нефтяном топливе азотосодержащие соединения, их концентрация в дизельном топливе достигает 1,5 - 2 % (по массе), а содержание азота - 0,2 %. В продуктах вторичной переработки нефти содержится значительно больше азота, чем в прямогонном топливе, поэтому при использовании дизельного топлива, содержащего эти продукты, добавочный выброс N0x за счет окисления азота топлива может достигать 5 - 15 %.
Наличие в топливе соединений кислорода благоприятно сказывается на эмиссии продуктов неполного сгорания топлива, в первую очередь углерода (сажи), поэтому одним из способов снижения дымности ОГ является добавление в топливо противодымных присадок, в качестве которых могут быть использованы кислородосодержащие вещества (спирты, вода). Применение таких присадок позволяет снизить эмиссию сажи в ОГ на 10 - 20 %.
Увеличение ЦЧ с помощью присадок [2] приводит к сокращению периода задержки воспламенения, снижению скорости нарастания давления и улучшению экономических, экологических и пусковых качеств дизеля. Вместе с тем применение присадок к топливу имеет ряд недостатков, главными из которых являются повышение стоимости топлива, нестабильность топлива с присадками при длительном хранении, неудобство снабжения нужными присадками в эксплуатации и токсичность ряда присадок, поэтому применение топливных присадок в локомотивном хозяйстве ОАО «РЖД» пока не получило массового распространения.
Экологические качества дизелей зависят и от физических свойств топлива, к числу которых относятся плотность и вязкость. Более низкая плотность и вязкость обеспечивают лучшее распыление топлива; с повышением указанных показателей качества увеличивается диаметр капель и ухудшается их сгорание, в результате чего повышаются удельный расход топлива и дымность ОГ.
Заметное влияние на токсичность ОГ оказывает наличие в топливе различных примесей
№ 3( 2010
(воды, механических примесей, смолистых веществ). Чистоту топлива оценивают коэффициентом фильтруемости, зольностью топлива, йодным числом. Наличие этих примесей приводит к увеличению токсичности ОГ, в первую очередь - к росту эмиссии твердых частиц.
Топливная присадка «Лубризол 8411 А» - многофункциональная присадка, предназначенная для улучшения процесса выгорания топлива в цилиндре дизеля, что уменьшает количество вредных выбросов в отработавших газах. Результаты сравнительного анализа экологической безопасности тепловозных дизелей типа 16ЧН26/26, работающих на дизельном топливе среднего элементарного состава с различным процентным количеством присадки «Лубризол 8411А» для различных режимов нагрузки, представлены на рисунке.
4
г_
(кВт-ч)
А 2
1
0
II У J
Ш 4 /у
eco
40
г
(кВт-ч)
А 20
15 10
eNOx 5
0 0,4 0,6 0,9 1,2 МПа 1,8 Ре -^
еснх
0,7
г_
(кВт-ч)
А 0,5 0,4 0,4 0,2
1,4
ед. Bosch
А
N
\
\ V /
ч_ <
0 0,4 0,6 0,9 1,2 МП а 1,8 Ре -
0 0,4 0,6 0,9 1,2 МПа 1,8 Ре -^
Зависимость количества вредных выбросов и дымносги продуктов сгорания от среднего эффективного давления:----0 % Пр.,--0,09 % Пр
Анализ зависимостей, приведенных на рисунке, показывает, что на малых нагрузках двигателя, при низком значении среднего эффективного давления (Pe < 0,6 МПа) снижения CO, NOx в отработавших газах и дымности продуктов сгорания практически не наблюдается. Согласно рисунку применение присадки существенно снижает содержание в продуктах его -рания различных углеводородных соединений CHx.
Увеличение количества присадки в топливе от 0 до 0,09 % практически не приводит к снижению количества NOx в продуктах сгорания, но снижает их дымность (N) примерно на 40 %, уменьшает количество оксидов углерода (CO) примерно на 47 % и количество углеводородных соединений (CHx) - на 25 % (таблица).
При работе дизеля 16ЧН26/26 на номинальном режиме, при Pe = 1,6 МПа, количество оксидов углерода (eco) в отработавших газах снижается примерно на 44 %, количество углеводородных соединений (еснх) - па 42 %, дымность (N) продуктов сгорания уменьшается на 24 %, однако количество оксидов азота (eNOx), степень экологической опасности которых намного выше, чем у оксида азота, остается практически неизменным.
Результаты испытания дизеля при работе на различных видах топлива
Наименование параметра Вид топлива
ДТ ДТ+0,09%Пр
Частота вращения коленчатого вала дизеля -1 n, мин 996 991
Эффективная мощность дизеля Ре, кВт 2635,6 2635,2
Удельный эффективный расход топлива Ье, г/(кВт-ч) 221,1 222,2
Расход топлива Ве, кг/ч 528,5 585,3
Расход газов (по углеродному балансу) S, кг/ч 17365 17254,4
Удельный выброс NOx, г/(кВт-ч) 8,94 8,91
Удельный выброс CO, г/(кВт-ч) 3,25 3,35
Удельный выброс CH, г/(кВт-ч) 0,61 0,26
Дымность воздуха, ед. Bosch 1,05 0,9
Концентрация CH, ppm 69 30
Концентрация CO, ppm 510 530
Концентрация NO2, ppm 6 3
Концентрация NO, ppm 849 854
Концентрация CO2, % 7,4 7,5
Средневзвешенный удельный выброс NOx, г/(кВт-ч) 12,13 11,66
Средневзвешенный удельный выброс CO, г/(кВт-ч) 2,98 2,93
Средневзвешенный удельный выброс CH, 7(кВт-ч) 0,6 0,31
Таким образом, предварительные исследования влияния присадки «Лубризол 8411 А» на экологические параметры рабочего цикла показали, что неоднозначность изменения количества вредных выбросов в продуктах сгорания не позволяет без экономической оценки рекомендовать ее к применению в транспортных двигателях, время работы которых на малых нагрузках значительно. Кроме того, необходим анализ изменения величины расхода топлива, что позволит окончательно судить об экономической эффективности использования присадки «Лубризол 8411 А» в тепловозных дизелях большой мощности.
Список литературы
1. Носырев, Д. Я. Выбросы вредных веществ локомотивными установками: Монография [Текст] / Д. Я. Носырев, Е. А. Скачкова, А. Д. Росляков. - М.: Маршрут, 2006. - 248 с.
2. Башкатова, С. Т. Присадки к дизельным топливам [Текст] / С. Т. Башкатова. - М.: Химия, 1994. - 256 с.
УДК 629.42.07
А. В. Климович, А. А. Кообар, А. С. Лендясов
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЮ ПОЕЗДА ПО ДАННЫМ ЭЛЕКТРОННОГО РЕГИСТРАТОРА ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ
Предлагается методика определения удельного сопротивления движению поезда в выполненной поездке по данным электронного регистратора параметров движения, основанная на математической обработке графика движения V = /(8). Практическое использование данной методики показало, что действительное удельное сопротивление движению грузовых поездов меньше рассчитанных по действующим Правилам тяго-выхрасчетов примерно на 17 - 20 %.
