Проблемы экологии автотранспорта / 2000-02 ПРИМЕНЕНИЕ СМЕСЕВЫХ СПИРТОВЫХ ТОПЛИВ в тракторных двигателях

ПРИМЕНЕНИЕ СМЕСЕВЫХ СПИРТОВЫХ ТОПЛИВ В ДИЗЕ...

http://aomai.secna.ru:8080/Books/Files/Vestn_2000_02/11/11.htm

ПРИМЕНЕНИЕ СМЕСЕВЫХ СПИРТОВЫХ ТОПЛИВ В ДИЗЕЛЯХ АВТОТРАКТОРНОГО ТИПА.

Д.Д. Матиевский, СП. Кулманаков

На современном этапе развития науки и техники двигатель внутреннего сгорания (ДВС) остается основным типом привода для большинства мобильных и стационарных установок. Но все более увеличивающийся парк ДВС требует и возрастания добычи и производства топлива. Переход к дизельным двигателям, являющимся более экономичными, позволяет лишь частично решить топливную проблему. Поэтому необходимо изыскивать новые альтернативные топлива.

Использование альтернативных топлив ставит перед нами задачу предсказания физико-химических свойств новых топлив или стандартного нефтяного топлива при применении присадок и добавок. Исследования на эту тему крайне слабо освещаются в литературе.

Разработка новых способов смешения и растворения и математического описания воздействия соответствующих присадок и добавок в нефтяном топливе позволит значительно сократить время на разработку новых составов альтернативных топлив и предсказания их физико-химических свойств, что, в свою очередь, легче позволит довести рабочий процесс двигателя при использовании новых альтернативных топлив.

При применении стандартных углеводородных топлив с добавками или присадками различных видов альтернативных топлив возникает проблема оптимальной организации рабочего процесса. Даже при использовании стандартного нефтяного топлива достаточно затруднительно предсказать, как и на сколько изменятся параметры рабочего процесса при изменении физико-химических свойств топлива, параметров камеры сгорания (КС), топливоподачи и т.д. Для альтернативных топлив эта область еще более не исследована.

Таким образом, использование новых видов топлива ставит задачу оптимизации рабочего процесса дизеля в зависимости от физико-химических свойств используемого альтернативного топлива.

Одними из наиболее вероятных видов альтернативных топлив являются спирты.

Изучением возможности работы дизелей на спиртах занимаются многие фирмы: Ricardo (Англия); John Deere (США); Komatsu (Япония); Volkswagen, Daimler-Benz A.G., MWM, MAN (ФРГ) и др.

В России также ведутся активные работы по использованию спиртов в дизелях: в МАДИ, МИИТе, ФНИКТИДе, НАМИ, КСХИ.

К достоинствам спиртов следует отнести обширную сырьевую базу и относительно низкую стоимость получения (особенно для этанола и метанола).

Трудности применения вызваны физико-химичеюкими свойствами спиртов.

Главный недостаток - низкая воспламеняемость спиртов. Хотя с ростом числа атомов углерода в молекуле цетановое число спиртов возрастает, при этом нужно учитывать, что стоимость многоатомных спиртов в несколько раз выше, поэтому экономически оправдано применение этанола и метанола, хотя их цетановые числа соответственно равны 8 и 3. В связи с чем применение низших спиртов в чистом виде требует конструктивных мероприятий, обеспечивающих воспламенение спиртов в цилиндре дизеля.

Следующая негативная сторона применения спиртов - их испаряемость. Вследствие этого необходимо предусматривать ликвидацию паровых пробок в системе питания. Высокая скрытая теплота испарения вызывает локальное понижение температуры смеси в цилиндре на 150-200 К.

Меньшая вязкость обуславливает изменение геометрии факела распыла, увеличение подтекания через форсунки и плунжерные пары, ухудшает условия смазки плунжерной пары, в связи с чем могут происходить прихваты и задиры.

Меньшая теплота сгорания вызывает необходимость увеличение объема цикловой подачи в 2,3-2,8 раза, что потребует изменения регулировок топливной аппаратуры.

Кроме того, метанол и этанол обладают повышенной коррозийной и электрокоррозионной активностью, что заставляет применять стойкие материалы.

При работе дизелей на спиртах, в результате большего содержания кислорода в спиртовом топливе и его более стабильных характеристиках, дымность и токсичность ОГ гораздо ниже. Процесс сгорания, экономичность и мощностные показатели в этом случае сильно зависят от способа подачи спиртового топлива, и в литературе нет однозначных оценок влияния его на рабочий процесс. Особенно много проблем вызывают пусковые качества, работа на режимах малых нагрузок и частотах вращения, работа на неустановившихся и переходных режимах.

Как было уже упомянуто, перспективность синтетических спиртов объясняется обширной сырьевой базой и небольшой стоимостью получения (для низших спиртов).

Более низкая теплота сгорания спиртов вызывает необходимость увеличения цикловой порции, что, в свою очередь, предопределяет повышение емкости топливных баков, перерегулировку топливной аппаратуры. Исходя из этого, в качестве моторного топлива следует применять многоатомные спирты, но нужно

учитывать, что с увеличением молекулярной массы возрастает и стоимость спиртов.

По оценкам ряда литературных источников наиболее вероятным моторным топливом будут служить спирты с числом атомов углерода от 1 до 6.

Использование спирта в дизелях может быть осуществлено различными способами. При переводе дизелей на спиртовые топлива в случае использования чистого спирта очень трудно обеспечить их самовоспламенение. Поэтому более шрокое распространение получили способы воспламенения спирто-воздушной смеси с помощью запальной порции ДТ или электрической искры, однако в этом случае необходимы конструкторские изменения.

Анализ, выполненный Хачияном, показал следующие основные способы подачи спирта:

1.наиболее распространенный способ - карбюрирование или впрыск спирта во впускную систему в сочетании с впрыском дизельного топлива.

1 of 6

21/Jan/07 1:52 PM

ПРИМЕНЕНИЕ СМЕСЕВЫХ СПИРТОВЫХ ТОПЛИВ В ДИЗЕ...

http://aomai.secna.ru:8080/Books/Files/Vestn_2000_02/11/11.htm

2.впрыск спирта с помощью второй топливной системы и инициирование спирто-воздушной смеси запальной порцией ДТ.

3.расслоение заряда при внутреннем смесеобразовании и искровое зажигание.

4.использование эмульсий и растворов с ДТ.

Таким образом, применение последних трех способов предполагает конструктивные переделки дизеля: установка карбюратора или второй топливной системы высокого давления, необходимость размещения свечи зажигания, что неосуществимо для миллионов существующих дизелей.

С этой точки зрения более перспективно применение растворов спирта в дизельном топливе или применение специальных присадок, повышающих метановое число спиртового топлива.

В качестве присадок предполагаются амил-, гексил-, этилгексил-, циклогексилнитраты. По данным авторов это дает повышение ЦЧ спиртового топлива до 40 единиц. К недостаткам этого метода следует отнести значительную добавку (13-17% циклогексилнитрита) присадок, обладающих высокой стоимостью.

Применение растворов спирта в дизельном топливе позволяет обойтись без переделки двигателя. Поскольку растворимость низших спиртов крайне незначительна (метанол почти не растворяется в ДТ, а

этанол растворяется при температурах свыше 36° С) можно применить тройные смеси. Совместный растворитель должен удовлетворять следующим качествам:

- должен удерживать топливо и спирт в одной фазе;

- иметь удовлетворительные моторные характеристики;

- быть дешевым; - не должен оказывать отрицательное воздействие на дизель.

Одним из путей преодоления трудностей приготовления смесей является применение третьего компонента - совместного растворителя дизельного топлива и спирта. Совместный растворитель должен иметь свойства дизельного топлива и спирта, т.е. его молекула должна иметь как полярные свойства, так и алифатическую составляющую, для образования связей с углеводородами.

Рассчитать полные термодинамические характеристики полученного тройного раствора можно с помощью теорий UNIFAC или UNIQUAC, использующий метод решеток.

В последние годы наибольшее развитие получили приближенные модели растворов, известные под названием групповых. Общая черта этих моделей - представление молекул в виде совокупностей некоторых химических групп, которые, как предполагается, дают аддитивные вклады в свойства системы. Привлекательность групповых моделей состоит в том, что свойства огромного многообразия органических соединений удается определить через ограниченное число параметров, характеризующих вклады отдельных групп. При групповом описании существенно уменьшается число типов пар, для которых надо знать энергетические характеристики взаимодействия, чтобы рассчитать термодинамические функции раствора.

Групповые модели растворов базируются на предположенной Вильсом и Дилом связи коэффициентов активности компонентов с групповыми характеристиками раствора. Логарифм коэффициента активности

(избыточный химический потенциал ) компонента представляется в виде двух составляющих - комбинаторного вклада, обусловленного различиями в размерах молекул, и остаточного, связанного с различиями в энергетике межгрупповых взаимодействий.

По результатам опубликованных работ были проанализированы несколько групп соединений:

1 - гетероциклические; 2 ароматические; 3 - аминные углеводороды; 4 - высшие спирты; 5 - ацетаты; 6- эфиры.

Для веществ из вышеперечисленных групп проведено математическое моделирование процесса растворения, исследованы тройные растворы дизельного топлива, этанола и соответствующего растворителя. На основании анализа зависимостей для расчета периода задержки воспламенения и сгорания для

определения основных параметров сгорания была выбрана методика, разработанная в ПЛТД МАДИ.

По результатам расчета построены графики изменения параметров рабочего процесса в зависимости от соотношения дизельного топлива и спирта при условии, что количество растворителя обеспечивает полное растворение спирта в дизельном топливе.

Данная методика позволяет наиболее полно провести анализ изменения периода задержки воспламенения, максимального давления сгорания, скорости нарастания давления и температур в зависимости от состава применяемых топлив, а также в зависимости от изменения условий топливоподачи. Дополнительно данный расчет позволяет учесть охлаждение рабочего тела, связанное с испарением топлива

Исходные характеристики смесевых топлив: плотность, удельная теплота парообразования, низшая теплота сгорания, цетановое число и др., также рассчитываются на основе принципа аддитивности.

Затем производится расчет Pz Tz, (dP/dϕ )max,и углов, им соответствующих, по методике. Также производится расчет температуры охлаждения ∆Τ воздушного заряда, которая находится с учетом условия, что теплота, подводимая к топливу, целиком отнимается от заряда

В данной модели для смесевых топлив сделаны следующие допущения:

1.Первоначально самовоспламеняется составляющая дизельного топлива из поданного смесевого топлива.

2.Спиртовая часть смесевого топлива оказывает влияние на самовоспламенение дизельной части через понижение температуры в зоне воспламенения.

Косвенным подтверждением этих предпосылок служат результаты эксперимента. С ростом Рh т.е. при

увеличении цикловой порции период задержки воспламенения для смесевых топлив на основе изобутанола и пропанола увеличивается, т.к. происходит количественное увеличение спиртовой составляющей, а, следовательно, увеличивается охлаждение заряда. Качественное изменение для октаноловых топлив

2 of 6

21/Jan/07 1:52 PM

ПРИМЕНЕНИЕ СМЕСЕВЫХ СПИРТОВЫХ ТОПЛИВ В ДИЗЕ...

http://aomai.secna.ru:8080/Books/Files/Vestn_2000_02/11/11.htm

(уменьшение ϕ j при росте нагрузки) можно объяснить приближением физико-химических свойств октанола к углеводородам дизтоплива.

По результатам расчета были исследованы области изменения параметров рабочего процесса в зависимости от соотношения дизельного топлива и спирта при условии, что количество растворителя обеспечивает полное растворение спирта в дизельном топливе.

На основе этих данных можно сделать вывод: расчет параметров рабочего процесса по данной методике позволяет с достаточной точностью (в пределах 15%) решать задачи нахождения основных показателей рабочего процесса в дизеле при работе на альтернативных топливах.

Для каждого из растворителей была определена зона с невозможностью самовоспламенения смеси. Невозможность самовоспламенения объясняется сокращением доли дизельного топлива и увеличением доли этанола, вследствие чего происходит локальное переохлаждение капель топлива и невозможностью в связи с этим предпламенных реакций. С увеличением молекулярной массы растворителя граница смещается в сторону увеличения доли низшего спирта.

Резкое возрастание значения параметров рабочего цикла объясняется удлинением периода задержки воспламенения по причине охлаждения смеси и, как следствие, увеличением количества подготовленной к самовоспламенению смеси.

Для проведения моторных испытаний были избраны смесевые топлива, содержащие 60 и 40% дизельного топлива, остальная часть составлена из этанола и растворителя в необходимой для смешения концентрации. Состав полученных смесевых топлив приведен в таблице 1.

После получения спиртовых топлив были исследованы их физико-химические характеристики.

Таблица 1.

Состав смесевых топлив

Отличие физико-химических свойств смесевых топлив предопределяет изменение характеристик топливоподачи, смесеобразования и сгорания, в связи с чем важное значение приобретает регулировка двигателя по углу начала подачи топлива.

Для смесевых топлив из-за наличия спиртов происходит увеличение теплоты парообразование и уменьшение цетанового числа. В связи с этим понижается температура начала сгорания Тнс и увеличивается

период задержки воспламенения τ i Значительное увеличение τ i обуславливает более ранний угол ϕ нп. В связи с ограниченностью количества испытуемых топлив запись точек регулировочной характеристики не производилась, а оптимальный угол опережения впрыска. ϕ нп определялся из условия обеспечения равенства углов начала сгорания.

После проведения регулировочных испытаний были приняты следующие углы начала подачи топлива : для смесевых топлив СИ6 и СИ4 - 25 град.п.к.в. до ВМТ; для топлива СПб и СО6 - 27 град.п.к.в. до ВМТ; для топлива СО4 - 28 град.п.к.в. до ВМТ.

Для смесевых топлив, как было упомянуто выше, характерна большая величина энергии парообразования, меньшее цетановое число, наличие кислорода в молекулах топлива. Все эти факторы значительно изменяют характер протекания процесса тепловыделения. При этом характеристика выделения

теплоты, имеет вид характерный для одностадийного процесса. Значение скорости увеличивается и смещается ближе к ВМТ. Сравнивая характер изменения скорости тепловыделения с аналогичной кривой для дизельного топлива, можно увидеть, что эти параметры отличаются коренным образом. Для смесевых топлив рост первого максимума тепловыделения совпадает с увеличением нагрузки, для ДТ с увеличением нагрузки

происходит уменьшение.

Для смесевых топлив на основе спиртов с меньшим числом атомов углерода, значения больше по величине и достигают значений0,20-0,24 град-1.

3 of 6

21/Jan/07 1:52 PM

ПРИМЕНЕНИЕ СМЕСЕВЫХ СПИРТОВЫХ ТОПЛИВ В ДИЗЕ...

http://aomai.secna.ru:8080/Books/Files/Vestn_2000_02/11/11.htm

Для топлив на основе октанола значение первого максимума тепловыделения равно 0,15-0,20 град-1, т.е. также значительно превосходит этот параметр для ДТ, равный 0,07 град-1. Для топлив на основе изобутанола и

пропанола изменяется качественная картина расположения 1-го максимума . Если для ДТ характерно удаление от ВМТ с ростом нагрузки, то для этих смесевых топлив происходит смещение угла 1-го максимума

в сторону ВТМ.

4 of 6

21/Jan/07 1:52 PM

ПРИМЕНЕНИЕ СМЕСЕВЫХ СПИРТОВЫХ ТОПЛИВ В ДИЗЕ...

http://aomai.secna.ru:8080/Books/Files/Vestn_2000_02/11/11.htm

Для смесевых топлив, где растворителем является октиловый спирт, зависимость приобретает вид,

характерный для дизтоплива, т.е. происходит удаление от ВМТ с увеличением нагрузки. Значения для спиртовых топлив изменяются в более широких пределах. Для нефтяного топлива величина изменения угла 1-го максимума тепловыделения составляет 3 градуса п.к.в., для спиртовых топлив - 6 градусов п.к.в.

Приведенные на рис. 1 - 2 зависимости периода задержки воспламенения τ i показывают значительное увеличение этого параметра. Если для дизельного топлива он изменяется в пределах 11-14 град.п.к.в., для смесевых топлив пределы изменения τ i составляют 20-35 град., причем для смесевых топлив на основе легких спиртов (изобутанола и пропанола) происходит увеличение периода индукции по мере роста нагрузки. Объяснение этому можно найти, сравнив зависимость периода задержки воспламенения τ i и продолжительности топливоподачи ϕ впр. Продолжительность впрыска меньше периода индукции, таким образом, с увеличением цикловой порции топлива происходит большая подача спирта, обладающего значительной энергией парообразования. Таким образом, общая температура смеси понижается, что и вызывает удлинение периода задержки воспламенения. Для топлив на основе октанола характерна картина изменения τ i аналогичная для случая применения дизтоплива, поскольку доля гидроксильных групп ОН заметно уменьшается, а физико-химические свойства октилового спирта приближаются к свойствам углеводородов дизельного топлива. Величина периода индукции в этом случае также значительно превосходит период задержки воспламенения для ДТ и равна 30-20 град.п.к.в.

Большой период задержки воспламенения для спиртовых топлив обуславливает большую долю испарившегося топлива, а соответственно, и значительно возросшую жесткость рабочего процесса. Жесткость

процесса возрастает в 1,5-2 раза, а максимальное давление сгорания Pz - на 15-20%. Для топлив с

одинаковым растворителем большая жесткость и Pz соответствует топливу с большим содержанием дизтоплива. Это можно объяснить, приняв гипотезу о том, что инициатором горения выступают молекулы дизтоплива, выделяющиеся из макромолекул смесевого топлива за период задержки воспламенения. При увеличенной доле дизельного топлива в смесевом топливе происходит большее накопление молекул дизтоплива в паровой фазе, что и вызывает повышенную жесткость рабочего процесса. Максимальная температура Tz для смесевых топлив на основе октанола остается в тех же пределах, для изобутанола и пропанола -возрастает на 10-15%. Повышенный удельный расход qi объясняется меньшей теплотой сгорания смесевых топлив, но, сравнивая экономичность процесса, можно увидеть, что ηi изменяется в небольших пределах и равен индикаторному КПД при использовании дизельного топлива. Лишь при использовании смесевого топлива СИ4 ηi уменьшается на 5-6%. Возрастание величины 1-го максимума тепловыделения и более близкое расположение его к ВМТ уменьшает несвоевременность ввода тепла, но увеличивает долю тепла, отведенного от РТ в районе ВМТ, а следовательно увеличивается коэффициент δ w. Изменение

5 of 6

21/Jan/07 1:52 PM

ПРИМЕНЕНИЕ СМЕСЕВЫХ СПИРТОВЫХ ТОПЛИВ В ДИЗЕ...

http://aomai.secna.ru:8080/Books/Files/Vestn_2000_02/11/11.htm

элементного состава смесевых топлив, увеличение доли кислорода и снижение доли углеводорода вызывают уменьшение доли неиспользования теплоты вследствие изменения состава δ w . Увеличенная температура сгорания предопределяет повышение потери тепла в цикле из-за переменности теплоемкости в функции температуры. Таким образом, перераспределение статей неиспользования теплоты позволяет оставить индикаторный КПД ηi неизменным или проявляется незначительное, на 1-2 процента, ухудшение. Эмиссия окислов азота ΝΟx для смесевых топлив на основе легких спиртов увеличивается на 10-15 процентов, что объясняется большей максимальной температурой цикла Τz. Для октаноловых топлив выбросы ΝΟx превышают уровень, характерный для стандартного топлива. Содержание сажи в ОГ снижается и составляет

0,18-0,21 г/м3 для номинального режима. Наиболее значительное уменьшение достигается при использовании

топлива СО4 - 0,12 г/м3, что в 3,5 раза меньше, чем для ДТ. Максимальный уровень СО увеличивается в 2 раза и происходит изменение характера протекания. Если для смесевых топлив на основе изобутанола и пропанола по мере роста нагрузки выбросы СО увеличиваются, достигают максимального значения при средних нагрузках, а затем уменьшаются, то для смесевых топлив СО4 и СО6 наблюдается обратная картина: на режимах, близких к холостому ходу выбросы окиси углерода имеют максимальное значение, достигающее 4-6 г/м . По мере роста нагрузки содержание СО в ОГ уменьшается, а на режимах, близких к номинальным, происходит рост выбросов.

Таким образом, смесевые топлива имеют удовлетворительные экономические и экологические показатели. Главный недостаток - повышенная жесткость работы, уменьшающийся моторесурс двигателя. Решить эту задачу можно попытаться, применяя присадки для повышения цетанового числа, такие, как циклогексилнитрат, этилгексилнитрат или нитроалкены.

На основе вышесказанного можно сделать следующие выводы :

1.Проведенный анализ показал, что наиболее реальным энергоносителем в ближайшее время будут топлива, производимые из угля и растительного сырья, в частности, спирты.

Кдостоинствам спиртов следует отнести низкую стоимость получения и обширную сырьевую базу, недостаток - крайне плохие моторные свойства при применении спиртов в качестве топлива для дизелей. На основе анализа выбран способ подачи смеси дизельного топлива, этанола и растворителя как наиболее полно удовлетворяющий вопросам сохранения экономичности и минимальной переделки двигателей

(позволяет обойтись только перерегулировкой топливной аппаратуры).

2.Разработанная методика смешения тройных растворов ДТ+этанол+растворитель на базе модели UNIFAC позволила определить класс растворителей и выбрать конкретные виды этих веществ из ряда наиболее эффективных растворителей. С помощью математической модели определены оптимальные составы смесевых топлив и рассчитаны физико-химические и моторные характеристики этих видов топлива.

3.Экспериментально показана возможность замены 40-60% дизельного топлива этанолом совместно с высшими спиртами с улучшением энерго-экологических показателей дизеля и без оснащения дизеля дополнительными системами питания.

4.При проведении моторных испытаний были получены следующие результаты: экономичность при использовании смесей на основе октанола, пропанола и изобутанола, содержащих по 60% ДТ, сохраняется в пределах прежнего уровня. При использовании смеси ДТ (40%) и растворителя

изобутанола ηi уменьшается во всем диапазоне нагрузок на 4-6%. Период задержки воспламенения для смесевых топлив на основе пропанола и изобутанола возрастает с ростом нагрузки, что объясняется снижением температуры смеси по причине высокой теплоты парообразования. Значение τ i находится в пределах 15-30 град.п.к.в. Для смесевых топлив на основе октанола зависимость от нагрузки повторяет зависимость для дизельного топлива, но больше в 1,5-2 раза. Жесткость работы при использовании смесевых топлив увеличивается. Так, Pz на номинальном режиме возрастает до 10 МПа, - в 2 раза и составляет 1,5 МПа/град. Максимальная температура сгорания возрастает до 2200-2300К.

Все это позволяет сделать вывод о перспективности данного вида топлива для применения в дизелях.

6 of 6

21/Jan/07 1:52 PM