CC BY
15Влияние применения природного газа и рециркуляции отработавших газов, метаноло- и этаноло-топливных
эмульсий на содержание токсичных компонентов в ОГ
■
В.А. Лиханов, профессор, зав. кафедрой ФГБОУ ВПО «Вятская ГСХА», д.т.н., О.П. Лопатин, доцент кафедры ФГБОУ ВПО «Вятская ГСХА», к.т.н.
В работе представлены результаты экспериментальных исследований, проведенных на базе научно-исследовательской лаборатории кафедры тепловых двигателей, автомобилей и тракторов Вятской государственной сельскохозяйственной академии, по улучшению экологических показателей тракторного дизеля 4Ч 11,0/12,5 путем применения компримированного природного газа и рециркуляции отработавших газов, метаноло-топливной и этаноло-топливной эмульсий. Исследования проводились с целью определения и оптимизации основных параметров работы дизеля на ДТ, КПГ с рециркуляцией отработавших газов, метаноло-топливной и этаноло-топливной эмульсиях.
__Ключевые слова:
компримированный природный газ (КПГ), метаноло-топливная эмульсия (МТЭ),
этаноло-топливная эмульсия (ЭТЭ), отработавшие газы.
кспериментальная тормозная установка включала электротормозной стенд SAK-N670 с балансирной маятниковой машиной, дизель 4Ч 11,0/12,5, измерительную аппаратуру, газобаллонное оборудование, оборудование для приготовления эмульсий (гомогенизатор МР'^302), систему рециркуляции отработавших газов (РОГ). Отбор и анализ проб ОГ проводился на автоматической системе газового анализа АСГА-Т. Для проведения стендовых испытаний на КПГ (20 % запальная порция дизельного топлива и 80 % КПГ) была использована передвижная заправочная станция на базе
тракторного прицепа 2ПТС-4 и газобаллонного оборудования автомобиля ЗИЛ-138А [1].
Для исследования проб МТЭ и ЭТЭ использовались денсиметр (определение плотности) и вискозиметр (определение вязкости).
По результатам исследований стабильности МТЭ и ЭТЭ определено, что эмульсии с концентрацией спирта 50 % оптимальны с точки зрения устойчивости к процессам разрушения. На наш взгляд, это связано с предельным повышением концентрации спирта в эмульсии, которая в данном случае переходит из «обратной» в «прямую», что делает
невозможным воспламенение такого топлива в цилиндре дизеля. Это было подтверждено в ходе первичных испытаний на двигателе.
Для всех исследуемых проб МТЭ и ЭТЭ определялась стабильность к процессу коалесценции, характеризующаяся продолжительностью времени до полного разделения пробы на углеводородную и спиртовую фазы. При этом пробирки с пробами смесей закрывались хорошо притертыми пробками. В процессе опыта выдерживалось равенство температурных режимов. По полученным данным также строились изотермы стабильности [2, 3].
В результате исследований стабильности и первичных испытаний на двигателе в качестве оптимальных для дизеля 4Ч 11,0/12,5 были приняты эмульсии следующего состава [4]:
• МТЭ - метанол 25 %, моюще-дис-пергирующая присадка сукцинимид С-5А 0,5 %, вода 7 %, ДТ 67,5 %;
• ЭТЭ - этанол 25 %, моюще-дис-пергирующая присадка сукцинимид С-5А 0,5 %, вода 7 %, ДТ 67,5 %.
Несмотря на высокие результаты стабильности при исследованиях МТЭ и ЭТЭ, использование эмульсий с большим содержанием метанола и этанола невозможно в связи с повышенной жесткостью и пропусками воспламенения при работе дизеля. Поэтому все дальнейшие испытания дизеля проводились на эмульсиях данного состава.
Содержание токсичных компонентов в ОГ дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения установочного угла опережения впрыскивания топлива (УОВТ) для частоты вращения 2200 мин-1 представлено на рис. 1я.
Анализ графиков, соответствующих газодизельному и газодизельному с РОГ процессам при п=2200 мин1, показывает, что при изменении установочного УОВТ содержание оксидов азота при работе по газодизельному процессу с РОГ изменяется так же, как и в дизельном
процессе, то есть при увеличении угла выход NOx возрастает. Так, при работе газодизеля с 10%-ной РОГ при 0впр=26° содержание оксидов азота в ОГ составляет 1300 ррт, что ниже на 21,2 %, чем при газодизельном процессе, и на 3,7 %, чем при дизельном процессе. При работе газодизеля с 10%-ной РОГ при 0впр=23° содержание NOx в ОГ составляет 1100 ррт, что ниже на 24,1 % аналогичного показателя при газодизельном процессе, соответствует дизельному процессу и ниже на 15,4 % содержания NOx в ОГ газодизеля с 10%-ной РОГ при 0впр=26°. Дальнейшее увеличение степени РОГ приводит к еще большему снижению оксидов азота, но вызывает рост продуктов неполного сгорания. Газодизельный процесс сопровождается увеличением выбросов суммарных углеводородов - их содержание в отработавших газах выше в 4-5 раз по сравнению с аналогичным показателем дизельного процесса. Концентрация СН в зависимости от установочного УОВТ при газодизельном процессе с РОГ и без нее уменьшается при увеличении установочного угла [5, 6].
При работе газодизеля с 10%-ной РОГ при 0впр=26° содержание СН в ОГ составляет 0,32 %, что ниже на 5,9 % аналогичного показателя газодизельного процесса. При работе газодизеля с 10%-ной РОГ при 0впр=23° содержание СН в ОГ составляет 0,36 %, что ниже на 9,9 % аналогичного показателя газодизельного процесса. Применение 20%-ной РОГ приводит к увеличению СН до значений, превышающих значения при чисто газодизельном процессе. Анализ содержания сажи в отработавших газах при работе по газодизельному процессу с РОГ и без нее показывает, что при увеличении установочного УОВТ содержание сажи практически не возрастает. Применение РОГ приводит к незначительному ее росту, в то время как при работе по дизельному процессу концентрация сажи существенно увеличивается.
44
а б
Рис. 1. Влияние применения КПГ и РОГ, МТЭ и ЭТЭ на содержание токсичных компонентов в ОГ дизеля 4Ч 11,0/12,5 зависимости от изменения установочного УОВТ: а - при п=2200 мин-1; б - при п=1700 мин-1;
□-□ - дизельный процесс; О----О - газодизельный процесс;
Х---------X - газодизельный с РОГ 10 %; А-------А - газодизельный с РОГ 20 %;
О------О - ЭТЭ; О— —О - МТЭ
Концентрация сажи при газодизельном процессе с РОГ и без нее ниже, чем при дизельном процессе, в 4-5 раз. Содержание СО с увеличением угла при работе по газодизельному процессу с РОГ также уменьшается.
При работе по газодизельному процессу с 10%-ной РОГ при 0впр=23° содержание СО в ОГ выше на 6,3 %, чем при газодизельном процессе, ниже на 25,6 %, чем при дизельном, и выше на 23,1 % аналогичного показателя газодизеля с 10%-ной РОГ при 0впр=26°. Содержание СО2 с увеличением угла при работе по газодизельному процессу с РОГ уменьшается, и при повышении рециркуляции снижение происходит в большей степени. Так, при работе газодизеля с 10%-ной РОГ при 0впр=23° содержание СО2 в ОГ выше на 5,1 %, чем при газодизельном процессе, ниже на 45,4 %, чем при дизельном, и вышена 3,4 % аналогичного показателя газодизеля с 10%-ной РОГ при 0впр=26°.
Сравнивая работу дизеля 4Ч 11,0/12,5 на ДТ и на МТЭ, при различных установочных УОВТ и частоте вращения 2200 мин-1, следует отметить, что значения токсических показателей при работе на МТЭ изменяются по сравнению с работой на ДТ.
Содержание оксидов азота NOx в ОГ дизеля при работе на МТЭ на всех установочных УОВТ меньше, чем при работе на ДТ. При 0впр=23° концентрация NOx снижается с 1100 до 774 ррт, то есть на 29,6 %, а при 0впр=26° - с 1320 до 853 ррт, или на 35,4 %.
Содержание углеводородов СН в ОГ дизеля при работе на МТЭ больше, чем при работе на ДТ на всех установочных УОВТ. При 0впр= 23° с переходом на МТЭ концентрация СН увеличивается с 0,108 до 0,12 %, то есть на 10,0 %, а при установочном УОВТ 0впр=26° и переходе на МТЭ - с 0,11 до 0,13 %, или на 15,4 %.
Содержание СО2 в ОГ дизеля при работе на МТЭ меньше, чем при работе
на ДТ на всех установочных УОВТ. При 0впр=23° содержание СО2 при переходе на МТЭ снижается с 10,9 до 9,8 %, то есть на 10,1 %, при 0впр=26° - с 10,5 до 9,2 %, или на 12,4 %.
Сравнивая кривые (см. рис. 1я), соответствующие работе дизеля 4Ч 11,0/12,5 на ДТ и на ЭТЭ на различных установочных УОВТ при частоте вращения 2200 мин-1, можно отметить, что экологические показатели отличаются, и в закономерностях изменения имеются некоторые различия.
Содержание оксидов азота NOx в ОГ дизеля при работе на ЭТЭ на всех установочных УОВТ меньше, чем при работе на ДТ. При 0впр=23° концентрация N0,, снижается с 1100 до 657 ррт, или на 40,3 %. При 0впр=26° содержание NOx снижается с 1320 до 730 ррт, то есть на 44,7 %.
Содержание углеводородов СН в ОГ дизеля при работе на ЭТЭ больше, чем при работе на ДТ на всех установочных УОВТ. При 0впр=23° с переходом на ЭТЭ концентрация СН увеличивается с 0,108 до 0,22 %, или на 50,1 %, при 0впр = 26° - с 0,110 до 0,20 %, или на 45,0 %.
Содержание СО2 в ОГ дизеля при работе на ЭТЭ меньше, чем при работе на ДТ. При 0впр=23° концентрация СО2 с переходом на ЭТЭ уменьшается с 10,9 до 8,0 %, или на 26,6 %, при 0впр=26° - с 10,5 до 7,6 %, или на 27,6 %.
Кривая содержания (см. рис. 1я) СО в ОГ дизеля при работе на ЭТЭ носит иной характер изменения по сравнению с дизельным процессом. Так, при 0впр=29° оксида углерода больше, чем при работе на ДТ, а на всех остальных исследуемых углах происходит снижение. При установочных УОВТ 23° и 26° содержание СО при работе на ЭТЭ снижается по сравнению с работой на ДТ соответственно с 0,21 до 0,15 %, то есть на 28,6 %, и с 0,20 до 0,17 %, или на 15,0 %.
Значения дымности ОГ при переходе на ЭТЭ снижаются. Так, при 0впр=23° дымность ОГ снижается с 5,8 до 1,2 ед. по шкале ьобл, то есть в 4,8 раза,
при 0впр=26° - с 6,2 до 1,5 ед. по той же шкале, или в 4,1 раза.
Содержание токсичных компонентов в ОГ дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения установочного УОВТ для частоты вращения 1700 мин-1 представлено на рис. 16. Закономерности изменения содержания токсичных компонентов в ОГ в зависимости от изменения установочного УОВТ при п=2200 мин1 сохраняются и для частоты вращения 1700 мин-1.
Содержание токсичных компонентов в ОГ тракторного дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения нагрузки при частоте вращения 2200 мин-1 и установочном УОВТ 23° (оптимальный для газодизельного, газодизельного с РОГ процессов, для работы на МТЭ и ЭТЭ) представлено на рис. 2.
Рис. 2. Влияние применения КПГ и РОГ, МТЭ и ЭТЭ на содержание токсичных компонентов в ОГ дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения нагрузки при 0впр=23° и п=2200 мин-1;
□-□ - дизельный процесс; О----О - газодизельный процесс; Х---------X - газодизельный
с РОГ 10 %; Д-------А- газодизельный с РОГ 20 %;
О-----О - газодизельный с РОГ 30 %;
□..............О - газодизельный с РОГ 40 %;
О------О - ЭТЭ; О— —О - МТЭ
не имеет какого-либо устройства для быстрого изменения установочного УОВТ, это же значение рекомендовано и для дизельного процесса.
2. При работе на КПГ с РОГ при малых нагрузках (ре=0,13...0,26 МПа) возможно применение 40%-ной РОГ, а при максимальных нагрузках необходимо снижение степени рециркуляции до 10 %.
3. На номинальном режиме работы (ре=0,64 МПа, п=2200 мин1) и оптимальном установочном УОВТ (0впр=23°) применение КПГ и РОГ, МТЭ и ЭТЭ при сохранении мощност-ных показателей позволяет снизить токсичность в ОГ (табл. 1).
4. На режиме максимального крутящего момента (ре=0,69 МПа, п=1700 мин1) и оптимальном установочном УОВТ (0впр=23°) применение КПГ и РОГ, МТЭ и ЭТЭ при сохранении мощностных показателей позволяет снизить токсичность в ОГ (табл. 2).
Таблица 1
Содержание токсичных компонентов ОГ в дизеле 4Ч 11,0/12,5 (номинальный режим)
Топливо Компоненты ОГ
№„ ррт Сажа, ед. Ьо8сЬ СО2, % СО, % СН, %
Дизельное 1100 5,8 10,9 0,21 0,11
КПГ 1450 (увеличение на 24,1 %) 0,9 (снижение в 6,4 раза) 5,6 (снижение на 48,6 %) 0,15 (снижение на 28,6 %) 0,40 (увеличение в 3,6 раза)
КПГ и РОГ (10 %) 1100 (соответствует ДТ) 1,0 (снижение в 5,8 раза) 5,9 (снижение на 45,9 %) 0,16 (снижение на 23,8 %) 0,36 (увеличение в 3,3 раза)
С применением МТЭ 775 (снижение на 29,6 %) 0,9 (снижение в 6,4 раза) 9,8 (снижение на 10,1 %) 0,11 (снижение на 47,6 %) 0,22 (увеличение в 2,0 раза)
С применением ЭТЭ 657 (снижение на 40,3 %) 1,2 (снижение в 4,8 раза) 8,0 (снижение на 26,6 %) 0,15 (снижение на 28,6 %) 0,12 (увеличение на 8,3 %)
Из графиков видно, что применение КПГ на дизеле 4Ч 11,0/12,5 приводит к увеличению содержания оксидов азота 46 и суммарных углеводородов в ОГ. При-
менение же РОГ, МТЭ и ЭТЭ снижает содержание оксидов азота в ОГ во всем диапазоне изменения нагрузок. Также существенно снижается содержание в отработавших газах сажи при работе по газодизельному, газодизельному с РОГ процессам, применении МТЭ и ЭТЭ в сравнении с дизельным процессом.
Суммируя все вышесказанное, можно сделать следующие выводы:
1. По результатам регулировочных характеристик в зависимости от изменения установочного угла опережения впрыскивания топлива для частот вращения 2200 и 1700 мин-1 был выбран в качестве оптимального для газодизельного, газодизельного с РОГ процессов, для работы на МТЭ и ЭТЭ установочный УОВТ 23° до верхней мертвой точки по мениску. Поскольку двигатель
Таблица 2
Содержание токсичных компонентов ОГ в дизеле 4Ч 11,0/12,5 (максимальный крутящий момент)
Топливо Компоненты ОГ
™х> PPm Сажа, ед. bosch СО2, % СО, % СН, %
Дизельное 1300 5,1 9,6 0,16 0,09
КПГ 1600 (увеличение на 18,8 %) 0,5 (снижение в 10,2 раза) 4,9 (снижение на 49,0 %) 0,05 (снижение в 3,2 раза) 0,36 (увеличение в 4,0 раза)
КПГ и РОГ (10 %) 1300 (соответствует ДТ) 0,6 (снижение в 8,5 раза) 5,1 (снижение на 46,9 %) 0,06 (снижение в 2,7 раза) 0,31 (увеличение в 3,4 раза)
С применением МТЭ 839 (снижение на 35,5 %) 0,5 (снижение в 10,2 раза) 8,8 (снижение на 8,3 %) 0,11 (снижение на 31,3 %) 0,10 (увеличение на 10 %)
С применением ЭТЭ 730 (снижение на 43,9 %) 0,9 (снижение в 5,7 раза) 7,8 (снижение на 18,8 %) 0,10 (снижение на 37,5 %) 0,18 (увеличение в 2,0 раза)
Литература
1. Лиханов В.А., Лопатин О.П. Улучшение экологических показателей дизеля 4Ч 11,0/12,5 путем применения природного газа и рециркуляции // Транспорт на альтернативном топливе. - 2014. - № 4 (40). - С. 21-25.
2. Лиханов В.А., Лопатин О.П. Применение природного газа и рециркуляции на тракторном дизеле 4Ч 11,0/12,5 // Тракторы и сельхозмашины. - 2014. -№ 6. - С. 7-9.
3. Лиханов В.А., Лопатин О.П. Снижение содержания оксидов азота в отработавших газах дизеля 4Ч 11,0/12,5 путем применения этаноло-топлив-ной эмульсии // Транспорт на альтернативном топливе. - 2012. - № 4 (28). -С. 70-73.
4. Лопатин О.П., Лиханов В.А. Улучшение эксплуатационных показателей дизеля 4Ч 11,0/12,5 путем применения этаноло-топливной эмульсии // Известия Международной академии аграрного образования. - 2013. - Т. 4. - № 16. -С. 170-173.
5. Лиханов В.А. Образование и нейтрализация оксидов азота в цилиндре газодизеля: монография / В.А. Лиханов, О.П. Лопатин. - Киров, 2004. - 106 с.
6. Лопатин О.П. Снижение содержания оксидов азота в отработавших газах тракторного дизеля 4Ч 11,0/12,5 (Д-240) при работе на природном газе путем применения рециркуляции отработавших газов: дис. ... канд. тех. наук. -Киров, 2004. - 200 с.
