Влияние подачи газового топлива на экологические показатели дизеля

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние подачи газового топлива на экологические показатели дизеля

А. Н. Карташевич, П. Ю. Малышкин

Введение

С каждым годом расширяется сфера применения автотракторной техники, увеличивается мощность силовых установок. Все это увеличивает загрязнение атмосферы токсичными компонентами отработавших газов и приводит к снижению урожайности сельскохозяйственных культур, продуктивности мясной и молочной продукции и другое.

Поэтому улучшение экологических показателей автотракторной техники имеет для Республики Беларусь весьма важное значение.

Одним из актуальных вопросов современности является применение альтернативных топлив, способных заменить традиционные топлива для двигателей внутреннего сгорания. В числе таких возобновляемых топлив в настоящее время рассматриваются газовые топлива (сжатые, сжиженные газы, биогаз), водород, спирты и др., которые позволяет не только улучшить экологические показатели двигателя, но и снизить зависимость от импортируемого топлива [1, 2, 3, 4].

В настоящее время широко исследуются и применяются в качестве моторного топлива для дизелей спирты, диметиловый эфир, растительные масла и продукты их химической переработки [5].

Для Республики Беларусь приемлемым и перспективным топливом является природный, нефтяной газ и биогаз, так как в отличие от других видов топлива не нуждается в глубокой переработке [6] и является возобновляемым видом топлива.

Двигатель, работающий на смеси дизельного топлива (ДТ) и газа, принято называть газодизельным. Часть дизельного топлива в свежем топливном заряде называют запальной дозой. Подаваемая в конце такта сжатия, именно она воспламеняется и поджигает газовоздушную смесь, поступающую в цилиндры на такте впуска. По сути запальная доза и инициирует непосредственно сам процесс сгорания. Запальная доза для газифицированных быстроходных дизелей автомобилей составляет 15-30 % от обычной порции ДТ. И это именно то количество, которое самовоспламенившись, гарантированно воспламенит в цилиндрах газовоздушную смесь [7].

В тоже время необходимо решать экологические вопросы, и это в свою очередь вынуждает идти по пути постепенного внедрения альтернативных топлив в практику эксплуатации, применяя двухтопливные системы питания двигателей.

1. Анализ источников

Теоретически при сжигании любого топлива со стехиометрическим количеством воздуха (б=1) продуктами сгорания будут СО2 и Н2О, образовавшиеся в результате реакции полного горения, и азота, перешедшего из воздуха и топлива. Содержание азота в продуктах сгорания различных топлив колеблется в довольно узких пределах (65-75 %) и для большинства топлив составляет в среднем 70 %. На долю СО2 и Н2О приходится в сумме примерно 30 %.

При неполном горении в продуктах сгорания будут присутствовать горючие газы (СО, Н2) сажа и другие компоненты.

Газовое топливо имеет более благоприятное, чем традиционные топлива, соотношение углерода (С) и водорода (Н). Углеродное число у современных бензинов составляет около 6, а у сжиженного газа оно равно 4,9 (природного газа 2,98). Более высокое содержание в газовом топливе водорода обеспечивает более полное сгорание в цилиндрах двигателя.

Поэтому улучшить экологические показатели дизеля возможно путем применения газового топлива, при этом следует учитывать, что температура самовоспламенения для газового топлива относительно высока и составляет 410-700 °C. Следовательно, воспламенение газо-воздушной смеси без дополнительных источников зажигания является затруднительным.

Газовое топливо характеризуется углеродным числом, представляющим собой отношение молекулярных масс углерода и водорода.

Сжиженный автомобильный газ (САГ) имеет более благоприятное, чем ДТ, соотношение углерода (С) и водорода (Н). Углеродное число у ДТ составляет около 6, а у САГ оно равно 4,9 (у природного газа 2,98). Более высокое содержание в газовом топливе водорода обеспечивает более полное сгорание в цилиндрах двигателя.

Cчитается, что основным препятствием на пути эффективного использования газа в качестве моторного топлива является увеличенная продолжительность индукционного периода при воспламенении и относительно медленное распространение пламени [8].

При этом необходимо выявить зависимости показателей работы двигателя от показателей качества альтернативных топлив и найти оптимальные характеристики системы подачи газа в дизельный двигатель.

В области исследования альтернативных топлив к настоящему времени известно много способов подачи газового топлива в двигатель [4, 13]. Улучшением экологических показателей с применением газового топлива в дизельных двигателях исследовали такие ученые, как М. А.Олейник, В. В. Горбунов, О. П. Лопатин, А. В. Шибанов, Л. В. Рудаков, Р. Р. Деветьяро, Е. Б. Лисицын и др.

По результатам исследований, проведенных М. А. Олейником на дизеле с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 (Д-245.12С), который устанавливается на автобус ПАЗ-32054-12, автомобилях ЗИЛ-5301 «Бычок» и др., работающем по газодизельному циклу на номинальном режиме с подачей 80-85 % компримированного природного газа через газовый смеситель во впускной тракт и 15-20 % запального дизельного топлива (ДТ). При этом на номинальном режиме наблюдается снижение расхода топлива на 9,7 %. В отработавших газах (ОГ) снижается содержание сажи (С) на 96 %, оксидов азота (NOx) - на 8 % и количество угарного газа (СО) - в 1,2 раза, но увеличивается суммарное количество углеводородов (СnНm) в 20 раз [14].

В. В. Горбуновым проведены моторные испытания на дизелях ЯМЗ-238 и КамАЗ-740 с подачей смеси ДТ и сжиженного нефтяного газа (СНГ) через единую штатную форсунку. Массовая доля сжиженного газа в смесевом топливе находилась в пределах 7-27 %. При этом отмечено, что снизился расход ДТ на 11-21 %, дымность ОГ уменьшилась на 50-70 %, температура ОГ снизилась на 20-50°С, минимально устойчивая частота вращения холостого хода снижается на 130-150 мин-1, по сравнению с работой дизеля на ДТ. Определена необходимость увеличения угла опережения впрыскивания топлива до 10° [15].

По исследованиям, проведенным Л. В. Рудаковым на дизеле с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 (Д-245.12С), работающем по газодизельному циклу на номинальном режиме с подачей 80-85 % компримированного природного газа через газовый смеситель во впускной тракт и 15-20 % запального ДТ, установлено, что на номинальном режиме наблюдается снижение часового на 9,7 % и удельного расхода топлива на 5 %, при сохранении мощности и повышение на 5,6 % эффективного кпд. Температура ОГ ниже во всем диапазоне частот вращения, а содержание NOx в 1,06-1,53 раза ниже, содержание сажи снижается в 18-25 раз, уменьшается количество СО в 1,2 раза и сильно увеличивается количество суммарных углеводородов (СnНm) в 20 раз [16].

Р. Р. Деветьяро экспериментальными исследованиями установлена минимальная величина запального ДТ, при работе дизеля 44 11,0/12,5 (Д-240) трактора МТЗ-80 по газодизельному процессу, которая составляет 2,51 кг/ч от номинального часового расхода топлива, подача природного газа составляет 8,91 кг/ч. Установочный угол опережения впрыскивания топлива газодизельного процесса необходимо уменьшать до 23 градусов п.к.в., для снижения «жесткости» работы газодизеля. При переходе на газодизельный процесс существенно снижается содержание сажи в ОГ на нагрузочных режимах, особенно в области нагрузок более 0,35 МПа (с 2,0 до 0,3 единиц по шкале bosch). Снижение содержания сажи по скоростным характеристикам достигает 80 %. Вместе с тем в ОГ газодизеля наблюдается увеличение содержания продуктов неполного сгорания СО и СnНm, для уменьшения токсичности которых необходимо применять другие методы снижения токсичности [19].

Е. Б. Лисицын на основании проведенных расчетно-экспериментальных исследований газодизельного рабочего процесса разработал оригинальную топливную систему для двигателей типа ЯМЗ-236НЕ автомобиля КрАЗ, обеспечивающая устойчивую работу двигателя во всем диапазоне рабочих режимов с уменьшенной до 18-20 % от номинальной подачи запальной порции дизельного топлива (вместо шестиплунжерного топливного насоса применен восмиплунжерный, в котором две секции предназначены для подкачивания топлива в аккумулятор регулятора начального давления, применение форсунок меньшей размерности и регулировки положения рейки ТНВД).

Разработанные мероприятия позволили обеспечить показатели токсичности выпускных газов соответствующие нормам Евро-2, а с нейтрализатором выпускных газов достигается характеристика токсичности, соответствующая нормам Евро-3 [22].

Вместе с тем необходимо отметить, что исследования по применению газового топлива в тракторных дизелях значительно снижают содержание сажи ОГ. Это дает основание предполагать, что улучшение эффективных показателей дизелей тракторов путем применения газа и оптимизации процессов сгорания и тепловыделения для снижения токсичности и дымности ОГ, экономии нефтяного моторного топлива является актуальной научной задачей, имеющей важное народнохозяйственное значение [1, 3, 19].

2. Методы исследования

Использование в дизелях добавки газа в качестве моторного топлива вносит определенные изменения в показатели процесса сгорания топлива в дизеле. На кафедре «Тракторы и автомобили» Белорусской государственной сельскохозяйственной академии проводились моторные испытания дизеля 4ЧН11,0/12,5 (Д-245.5S2) на дизельном топливе марки Л и сжиженном автомобильном газе марки ПБА.

На первом этапе исследовали свойства газовых топлив и способы подачи его в цилиндры дизеля [4]. Наиболее точно подача газового топлива может быть реализована использованием индивидуальных форсунок, подающих газ непосредственно в каждый цилиндр, однако полученный эффект не может перекрыть стоимость такой газовой системы питания. Поэтому в целях рационального использования средств решено использовать газовую систему питания с 4-мя форсунками и удлинителями, подающими газ во впускной коллектор перед впускным клапаном [20]. Управление форсунками осуществляется программируемым электронным блоком, получающим информацию от датчиков, установленных на испытываемом дизеле.

Дизель 4ЧН11,0/12,5 (Д-245.5S2) загружали электротормозным стендом SAK N670 с балансирной маятниковой машиной, а экологические показатели измеряли дымомером MDO 2 LON и газоанализатором MGT 5 [23].

В табл. 1 представлены физико-химические показатели сжиженных автомобильных газов.

Таблица 1. Физико-химические показатели сжиженных автомобильных газов [17, 18]

Элементарный состав САГ относят к числу наиболее важных оценочных параметров газа. Он позволяет судить о качестве САГ. Зная элементарный состав САГ, можно расчетным путем определить теплоту сгорания газа и количество воздуха, необходимое для полного его сгорания. Теплота сгорания (в кДж/кг) газа может быть рассчитана по формуле:

Qи = 33210QC + 109060QН,

где QC - объемная доля углерода; QН - объемная доля водорода.

В формуле (1) состав САГ представлен в объемных долях, или в процентах. дизель моторный топливо горючий

Теплота сгорания характеризуется стехиометрическим составом смеси и теоретически необходимым количеством воздуха для ее полного сгорания.

Стехиометрический коэффициент представляет собой массу (объем) воздуха, теоретически необходимого для полного сгорания топлива. При полном сгорании САГ превращается в продукты полного окисления - углекислый газ и водяные пары:

С3Н8 + 5О2 = 3СО2 + 4Н2О;

С4Н10 + 6,5О2 = 4СО2 + 5Н2О.

Для полного сгорания пропана (С3Н8) на одну его молекулу приходится 5 молекул кислорода, а бутана (С4Н10) - 6,5 молекул кислорода. Содержание кислорода в воздухе, как известно, составляет 21,0 %. Поэтому для полного сгорания 1 м3 пропана требуется 24 м3 воздуха, а для бутана - 31 м3. При сгорании САГ необходимая масса (объем) воздуха всегда будет больше по сравнению с массой ДТ. Верхний предел воспламеняемости пропан-бутановых смесей характеризуется содержанием 8,4-9,9 % газа в воздухе, а нижний предел - 1,8-2,4 %.

Теплота сгорания газового топлива не эквивалентна теплоте сгорания горючей смеси, поэтому законы аддитивности при расчетах не применимы. Для газообразных топлив теплота сгорания горючей смеси:

;

где Нн - удельная теплота сгорания единицы объема газа, кДж/м3; l0 - стехиометрический коэффициент горючей смеси, м3/м3.

Выделение теплоты на единицу массы у САГ несколько больше, чем у ДТ. Однако если сравнивать выделение теплоты на единицу объема горючей смеси, то окажется, что при использовании САГ оно снижается по сравнению с ДТ. С увеличением коэффициента б теплота сгорания горючей смеси газовых топлив уменьшается в меньшей степени по сравнению с жидкими топливами [21]. Это создает предпосылки для проведения испытаний дизеля с подачей газа.

3. Основная часть

На рис. 1. представлены внешние скоростные характеристики дизеля 4ЧН11,0/12,5 (Д-245.5S2) на дизельном топливе и сжиженном нефтяном газе. При проведении стендовых испытаний дизель был укомплектован штатной системой топливоподачи, турбокомпрессором, системой принудительного охлаждения надувочного воздуха (ПОНВ) и газовой системой питания [20].

Рис. 1. Скоростная характеристика дизеля Д-245.5S2 с турбонаддувом и ПОНВ при работе на ДТ и газе

Из графиков видно, что при подаче газового топлива мощность и крутящий остались без изменений на уровне заводских, а расход ДТ снижается, за счет замещения его газом. Количественно экономия ДТ по внешней скоростной характеристике составляет от 0,5 до 3,65 кг или 4,3-22,3 %. При этом подача газового топлива составляет от 5 до 22 %.

Влияние применения сжиженного газа на экологические показатели по внешней скоростной характеристике дизеля представлены на рис. 2.

Рис. 2. Влияние применения сжиженного газа на экологические показатели дизеля Д-245.5S2 с турбонаддувом и ПОНВ в зависимости от изменения частоты вращения

Увеличение количества окислов азота (NOx) в ОГ при подаче газа не превышает 10,5 % во всем диапазоне частот вращения коленчатого вала (рис. 2а).

Анализируя результаты замера выбросов оксида углерода (СО) и углеводородов (СН), видно, что данные показатели изменяется с увеличением количества газа и увеличением частоты вращения коленчатого вала. Так, на номинальном режиме при подаче 5, 13 и 22 % газа СО увеличивается в 1,2; 2 и 3,3 раза соответственно рис. 2б, а СН увеличивается в 5; 7,7 и 14,8 раза соответственно рис 2г.

По результатам замера дымности (РТ) видно, что данный показатель уменьшается с увеличением количества газа и увеличением частоты вращения коленчатого вала на 16-65 %, так на номинальном режиме при подаче 5, 13 и 22 % газа дымность снижается на 27,8; 42,2 и 51,5 % соответственно.

Изменение содержания токсичных компонентов ОГ дизеля Д-245.5S2 с турбонаддувом и ПОНВ в зависимости от изменения нагрузки при частоте вращения 1400 и 1800 мин-1 представлены на рис. 3.

При анализе зависимостей видно, что содержание оксидов азота ОГ при работе дизеля с добавкой газа ниже, чем на ДТ практически во всем диапазоне изменения нагрузки и имеет равные значения (600 ррm) при Ne= 47 кВт, n=1400мин-1 и большие значения при увеличении нагрузки, но не более 7,5 %.

Рис. 3. Влияние применения сжиженного газа на экологические показатели дизеля Д-245.5S2 с турбонаддувом и ПОНВ в зависимости от нагрузки при nд =1400 мин-1 и nд =1800 мин-1

При подаче газа существенно снижается дымность отработанных газов. Эффект значителен при нагрузке на дизель более 60 % (45 кВт), так при максимальной мощности ДТ+ 22 % газа и n=1400 мин-1 дымность снижается на 64,7 %, а при n=1800мин-1 - 51,5 %. Обратную ситуацию имеет показатель СnНm, который при увеличении нагрузки значительно снижается. Это связано прежде всего с сильным обеднением горючей смеси. Так, при б>3 сгорание газа затруднительно (рис. 3в).

Вместе с тем необходимо отметить, что увеличение количества подаваемого газа приводит к росту СО. Так, при n=1800мин-1 и Ne= 35,6 кВт СО увеличивается с 0,01 % до 0,26 %, но при увеличении нагрузки разница снижается.

Заключение

1. Подача газового топлива значительно снижает дымность ОГ. Так, при максимуме крутящего момента дымность снижается с 56,7 до 20 %, а на номинальном режиме с 27 до 13, 1 % при этом экономия ДТ составляет 19,2 и 22,3 %.

2. Экспериментально подтверждена работоспособность дизеля с турбонаддувом и ПОНВ с подачей газа, что позволяет экономить 4,3-22,3 % ДТ.

3. При подаче САГ свыше 35 % приводит к появлению детонации, сопровождающейся металлическим стуком, снижению мощности и ресурса дизеля.

Литература

1. Указ Президента Республики Беларусь от 22.07.2010 N 378 «Об утверждении приоритетных направлений научно-технической деятельности в Республике Беларусь на 2011-2015 годы». - Минск, 2010. - №5. - С. 4.

2. Постановление Совета Министров Республики Беларусь от 09.06.2010 N 886 «Об утверждении перечня государственных программ научных исследований на 2011 - 2015 годы». - Минск, 2010. - С. 15-17.

3. Директива Президента Республики Беларусь №3 от 14 июня 2007 г. «Экономия и бережливость - главные факторы экономической безопасности государства».- [Электронный ресурс].

4. Альтернативные виды топлива для двигателей / А. Н. Карташевич [и др.]. - Горки: БГСХА, 2012. - 376 с.

5. Карташевич, А. Н. Возобновляемые источники энергии: науч.-практ. пособие / А. Н. Карташевич, В. С. Товстыка - Горки: БГСХА, 2008. - 261 с.

6. Малышкин, П. Ю. Получение и применение биогаза для питания дизелей / П. Ю. Малышкин // Материалы междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 60-летию каф. «Тракторы и автомобили», Горки, 24-25 сент. 2009 г. / Белорус. гос. с.-х. акад.; под ред. А. П. Курдеко [и др.]. - Горки, 2009. - 215 с.

7. Сысоев А.А., Малышкин П.Ю. Сравнение и анализ систем подачи газового топлива в ДВС / Сб. науч. ст. по матер XIII Междунар. науч. конф. БГСХА Горки, 2013. - С. 132-134.

8. Хакимов, Р. Т. Анализ применения технических средств системы питания газового двигателя / Р. Т. Хакимов // Улучшение эксплуатационных показателей автомобилей, тракторов и двигателей: сб. науч. тр. междунар. науч. техн. конф. - СПб, 2007. - С. 219-231.

9. Сомов, В.А. Физико-химическое регулирование процесса сгорания в дизеле путем оптимизации состава топлива / В. А. Сомов, А. П. Лесников // Тезисы докладов Всесоюзн. науч. конфер. «Перспективы развития комбинир. дв. вн. сг. и двигателей новых схем и топлив». - М. 1980. - С. 75-76.

10. Карташевич, А. Н. Тракторы и автомобили. Газовое оборудование для автотракторной техники: курс лекций / А.Н. Карташевич, П.Ю. Малышкин, А.А. Сысоев - Горки: Белорусская государственная сельскохозяйственная академия, 2012. - 86 с.

11. Газодизель: экономия на сэкономленном.

13. Малышкин, П. Ю. Сравнение и анализ систем подачи газового топлива в дизель / П. Ю. Малышкин, А.Н. Карташевич: сб. науч. тр. междунар. науч. практ. конф. Часть 2 ВГСХА. - Киров, 2013. - С. 41-43.

14. Олейник, М. А. Улучшение экологических показателей дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе путем снижения содержания оксидов азота в отработавших газах: дис. …канд. техн. наук: 05.04.02 / М. А. Олейник. - Киров, 2007. - 160 с.

15. Горбунов В. В. Ресурсосбережение нефтяных дизельных топлив и снижение дымности отработанных газов автомобильного дизеля применением смесевых топлив: дис. …канд. техн. наук: 11.00.11, 05.04.02 / В. В. Горбунов. - М., 1994. - 153 с.

16. Рудаков Л. В. Улучшение эффективных показателей дизеля 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе путем оптимизации процессов сгорания и тепловыделения: дис. …канд. техн. наук: 05.04.02 / Л. В. Рудаков. - Киров, 2006. - 188 с.

17. ГОСТ-27578-87 Газы углеводородные сжиженные для автомобильного транспорта. Межгосударственный стандарт. - М., ИПК Издательство стандартов, 2000. - С. 3.

18. Паспорт качества сжиженного углеводородного топлива. РУП «Производственное объединение «Белоруснефть». - Речица, 2012. - С. 4.

19. Деветьяров Р. Р. Улучшение эффективных показателей тракторного дизеля 4Ч 11,0/12,5 (Д-240) путем применения природного газа и оптимизации процессов сгорания и тепловыделения: автореф. …канд. техн. наук: 05.04.02 / Р. Р. Деветьяров. - Киров, 2003. - 21 с.

20. Система подачи газового топлива в дизель: пат. 9079 Респ. Беларусь МПК F02М43/00 / А. Н. Карташевич, П. Ю. Малышкин; заявитель УО БГСХА - № а 20130119; заявл. 04.01.2010; опубл. 30.06.2012 // Афіцыйны бюл. / Нац. Цэнтр інтэл. Уласнасці. - 2012. - № 2. - 4 с.

21. Газобаллонные автомобили / Е. Г. Григорьев [и др.]. - М: Машиностроение 1989. - 216 с.

22. Лисицын, Е. Б. Повышение эффективности использования газового топлива в газодизельных двигателях: автореферат …канд. техн. наук: 05.02.13 / Е. Б. Лисицын. - М., 2010. - 19 с.

23. Правила ЕЭК ООН № 96 (02)/Пересмотр 1. ГОССТАНДАРТ РОССИИ. - М., 2006. - С. 5.

Аннотация

Проведены стендовые испытания тракторного дизеля на дизельном топливе и подачей газа. Определены мощностные, экономические и экологические показатели дизеля на основных режимах его работы. Подача газового топлива значительно снижает дымность ОГ, так при максимуме крутящего момента дымность снижается с 56,7 до 20 %, а на номинальном режиме с 27 до 13, 1 % при этом экономия ДТ составляет 19,2 и 22,3 %. Экспериментально подтверждена возможность применения газа в качестве моторного топлива.

We have conducted stand tests of tractor diesel on diesel fuel and supply of gas. We have determined power, economic and ecological indicators of diesel in the main regimes of its work. Supply of gas fuel significantly reduces opacity of the exhaust gases, as at the maximum torque opacity decreases from 56.7 to 20 %, and in nominal regime - from 27 to 13.1 %, diesel fuel economy being 19.2 and 22.3 %. We have experimentally proven the possibility of using gas as motor fuel.

Размещено на Allbest.ru