Улучшение энергетических и экологических показателей

Секция 2 «ПОРШНЕВЫЕ И ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ».
Улучшение энергетических и экологических показателей
работы дизелей путем приминения трехкомпонентных
смесевых биодизельных топлив
к.т.н., проф. Говорун А.Г., Павловский М.В.
Национальный транспортный университет, г. Киев, Украина
Дизели благодаря своим топливно-экономическим показателям обрели широкое
распространение в качестве силовых установок. Бóльшая часть дизелей сосредоточена в
грузовом, пассажирском автотранспорте, и на самоходных сельскохозяйственных
машинах, кроме того, доля легковых автомобилей оборудованных дизелями постоянно
увеличивается.
Увеличенный уровень выбросов оксидов азота NOx и твердых частиц (ТЧ) в
окружающую среду является недостатком дизелей в сравнении с бензиновыми
двигателями. Вышеуказанные негативные свойства дизелей обуславливают актуальность
проведения мероприятий, которые направлены на уменьшение концентраций оксидов
азота NOx и ТЧ в отработавших газах при сохранении существующего уровня топливной
экономичности, а при возможности – и ее повышении.
Одним из способов частичного решения экологических и санитарных проблем
является применение топлив из возобновляемых источников энергии – топлив
растительного происхождения первого поколения. К таким относятся растительные масла
(РМ) и биодизельное топливо (БТ).
Наиболее широко распространенными топливами в странах Европы, которые
получают из растительного сырья, являются рапсовое масло и продукты его переработки,
в частности сложные метиловые эфиры жирный кислот рапсового масла (метиловые
эфиры рапсового масла). Часть физико-химических свойств вышеуказанных топлив не
соответствует физико-химическим свойствам штатного дизельного топлива (ДТ).
Особенностью растительных топлив является присутствие в их составе достаточно
большого количества кислорода (около 10 %), это приводит к уменьшению теплоты
сгорания таких топлив, которая составляет 36 – 39 мДж/кг против 42 – 43 мДж/кг
дизельных топлив, в составе которых практически не содержится кислорода. Присутствие
кислорода в молекуле растительных топлив снижает температуру их сгорания и
существенно снижает содержание в ОГ продуктов неполного сгорания. Для автомобилей
находящихся в эксплуатации, в качестве топлива для дизелей используются метиловые
эфиры рапсового масла (МЭРМ), и смеси МЭРМ со штатным дизельным топливом. При
этом наблюдается увеличение часового расхода топлива и концентраций оксидов азота
NOx [1]. Оксиды азота NOx являются одной из основных составляющих ОГ дизеля, доля
которых в суммарном индексе токсичности может составлять 90 % [2].
Экологические показатели дизеля существенно зависят от физико-химических
свойств топлив, к перечню которых, в первую очередь, относятся их плотность,
кинематическая вязкость и сжимаемость. Одним из основных параметров является
плотность. Она определяет количество энергии которое подается в камеру сгорания,
поскольку в плунжерных топливных насосах высокого давления (ТНВД) осуществляется
объемное дозирование топлива. Плотность также может быть косвенным показателем
таких свойств углеводородных топлив как поверхностное натяжение, испаряемость,
цетановое число и ряд других [3].
Кинематическая вязкость топлив также является фактором влияния на велечину
цикловой подачи и качество распыла топлива, так как определяет внутреннее трение
топливного потока и этим самым гидравлические потери энергии в системе
топливоподачи. Частично от значений вязкости зависит уровень дросселирования топлива
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
80
Секция 2 «ПОРШНЕВЫЕ И ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ».
во впускных и отсечных отверстиях втулки плунжера ТНВД, а также в сопловых каналах
форсунки.
С учетом вышесказанного следует отметить, что при подходе к использованию БТ
для автомобилей находящихся в эксплуатации необходимо в первую очередь обращать
внимание на отличие некоторых физико-химических свойств, таких как кинематическая
вязкость и плотность и проводить мероприятия при подготовке БТ.
На кафедре «Двигатели и теплотехника» Национального транспортного
университета (Киев, Украина) проводятся исследования по использованию биодизельного
топлива (МЭРМ) в качестве штатного моторного топлива для дизелей.
Кроме различий физико-химических свойств МЭРМ в сравнении со штатным ДТ,
это топливо имеет низкий коэффициент энергетической эффективности. Энергетическую
эффективность использования топлив можно оценивать с помощью коэффициента
энергетической эффективности производства топлив [4]. Коэффициент энергетической
эффективности ДТ и МЭРМ можно определить по зависимости:
ηв =
hн − hв
hн
(1)
hн - низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг;
hв - энергозатраты на производство 1 кг топлива, МДж/кг.
- для штатного ДТ hн = 42,5 МДж/кг;
- для МЭРМ hн = 37,2 МДж/кг.
де
Энергозатраты на производство 1 кг топлив составляют:
- hв = 21 МДж/кг — для штатного ДТ;
- hв = 35 МДж/кг — для МЭРМ.
В результате расчетов получаем:
- η в = 0,506 (для ДТ);
- η в = 0,066 (для МЭРМ).
В результате коэффициент энергозатрат на производство штатного ДТ и МЭРМ
равны:
- η е.в = 1 − η в = 0,494 (49,4%) — для ДТ;
- η е.в = 1 − η в = 0,934 (93,4%) — для МЭРМ.
В связи с тем, что затраты энергии на производство биодизельного топлива (МЭРМ)
довольно высокие, на современном этапе развития технологии его производства, более
рационально его использовать в качестве добавки к штатному ДТ.
Для оценки общей энергетической эффективности использования штатного ДТ и
МЭРМ в процессе эксплуатации были проведены предварительные стендовые испытания
дизеля Д – 243 при работе на этих топливах.
На рис 1.1 приведены нагрузочные характеристики при частоте вращения
коленчатого вала n = 1500 мин-1. На характеристике приведены:
ηе - эффективные коэффициенты полезного действия дизеля при работе на штатном
ДТ и МЭРМ;
ηо - общие коэффициенты полезного действия дизеля с учетом коэффициента
энергетической эффективности на производство топлив,
η о = η в ⋅η е
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
(2)
81
Секция 2 «ПОРШНЕВЫЕ И ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ».
Из рис. 1.1 видно, что при работе дизеля на МЭРМ общий коэффициент полезного
действия в нагрузочном диапазоне изменяется от 0,9 до 2,4 %, а на штатном ДТ – от 7 до
19%.
Эффективный
коэффициент
полезного действия η е дизеля при
работе на МЭРМ несколько ниже изза
ухудшения
качества
распыливания топлива [5].
С учетом вышесказанного для
более рационального использования
БТ, при их подготовке нужно
обеспечить
максимально
приближенные физико-химические
свойства (кинематическая вязкость,
плотность) как у штатного ДТ. Это
можно достигнуть путем добавок к
смесевым БТ компонентов с более
низкой кинематической вязкостью.
Лабораторные
испытания,
которые
были
проведены
в
Национальном
транспортном
университете (г. Киев, Украина)
подтвердили,
что
добавка
компонентов к БТ с более низкой кинематической вязкостью уменьшает этот показатель.
Одним из таких компонентом может быть керосин ТС-1. Добавка его в количестве до 20%
существенно не влияет на другие физико-химические показатели смесевого топлива [6]. В
табл. 1.1 приведены значения кинематической вязкости для разных смесевых топлив.
Таблица 1.11
МЭРМ
90% ДТ+
10% МЭРМ
80% ДТ+
20% МЭРМ
70% ДТ+
30% МЭРМ
3,92
1,51
10,24
4,14
4,58
4,89
85% ДТ+
10% МЭРМ+
5% ТС – 1
67,5% ДТ+
20% МЭРМ+
12,5% ТС – 1
52% ДТ+
30% МЭРМ+
18% ТС – 1
ТС-1
Кинематическая
вязкость
при 20 оС, мм2/с
Штатное ДТ
Значения кинематической вязкости смесевых топлив
3,94
3,92
3,93
Из таблицы 1.1 видно, что при подготовке смесевых биодизельных топлив, добавка
керосина ТС-1 (объем добавки определялся расчетно-экспериментальным путем для
каждой смеси) фактически не приводит к изменению вязкости в сравнении со штатным
ДТ.
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
82
Секция 2 «ПОРШНЕВЫЕ И ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ».
Как показали результаты испытаний, при работе дизеля на смесевых топливах с 10-,
20% добавкой МЭРМ к штатному ДТ (далее двухкомпонентное смесевое топливо), имеет
место увеличение часового расхода топлива, крутящего момента в области полных
нагрузок, концентрации оксидов азота NOx в отработавших газах и снижение
эффективного КПД (рис 1.2).
При использовании таких же смесевых топлив, но при добавке 5-, 12.5-, 18 %
керосина ТС-1, соответственно для 10-, 20-, 30% МЭРМ (далее трехкомпонентное
биодизельное топливо), часовой расход топлива практически не увеличивался в сравнении
со штатным ДТ. Имело место незначительное увеличение эффективного КПД, и
незначительное снижение концентраций оксидов азота NOx. Концентрации продуктов
неполного сгорания CO, CmHn а также дымности N как при питании двухкомпонентным
так и трехкомпонентным биодизельным топливом уменьшались по сравнению со
штатным ДТ.
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
83
Секция 2 «ПОРШНЕВЫЕ И ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ».
По результатам проведенных исследований (рис 1.2) можно сделать вывод, что
часовые расходы двухкомпонентных биодизельных топлив больше на 3- и 6%
соответственно при 10- и 20% МЭРМ в смеси. При использовании трехкомпонентных
биодизельных топлив, максимальное увеличение часового расхода топлив не более 1,52,5% во всем нагрузочном диапазоне, имело место снижение концентрации оксидов азота
NOx.
Кроме того, при использовании трехкомпонентных биодизельных топлив
эффективный КПД сравнительно с использованием штатного ДТ немного выше, в
сравнении с штатным ДТ и двухкомпонентным биодизельным топливом.
Более высокий эффективный КПД дизеля при питании трехкомпонентным топливом
можно объяснить более высокой эффективностью его сгорания благодаря присутствию
кислорода в молекуле МЭРМ при сохранении качественных показателей распыла и дозы
топлива, которое подается в цилиндр двигателя [7].
В результате проведенных исследований двух- и трехкомпонентных биодизельных
топлив можно констатировать, что использование трехкомпонентных биодизельных
топлив предоставляет возможность улучшить энергетические, экономические и
экологические показатели работы дизелей, которые находятся в эксплуатации, по
сравнению с использованием двухкомпонентных топлив.
Литература
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Девянин С.Н., Марков В.А., Семенов В.Г. Растительные масла и топлива на
их основе для дизельных двигателей. – Х.: Новое слово, 2007. – 452 с.
Гутаревич Ю.Ф., Зеркалов Д.В., Говорун А.Г., Корпач А.О., Мержиевская
Л.П. Экология и автомобильный транспорт: Учебное пособие. – К.: Аристей,
2006. – 292 с.
Марков В.А., Баширов Р.М., Габитов И.И., Токсичность отработавших газов
дизелей. 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2002.
– 376., ил.
Термодинамимическая эффективность и ресурсы жидких биотоплив
Украины / Забарный Г.М., Кудря С.О., Кондратюк Г.Г., Четверик Г.О. — К.:
Институт возобновляемой энергетики НАН Украины, 2006. — 226 с.
Васильев И.П., Влияние топлив растительного происхождения на
экологические и экономические показатели дизеля: Монография / И.П.
Васильев. – Луганск: из-тво ВНУ им. Даля, 2009. – 240 с.
Колосюк Д.С., Зеркалов Д.В. Эксплуатационные материалы: Учебное
пособие. 2-е издание, дополненное. – К.: Аристей, 2005. – 241 с.
Уханов А.П., Рапсовое биотопливо / А.П. Уханов, В.А. Рачкин, Д.А. Уханов.
– Пенза: РИО ПГСХА, 2008 – 229 с.
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
84