Спиртовые топлива

Подача спирта в двигатель в газообразной фазе во впускной трубопровод является одним из способов использования метанола и этанола в дизелях [76, 97,110,136,147,182,186, 240,241,250]. Такая подача спиртовых топлив реализуется с помощью карбюратора или форсунки, установленной на впуске. В этом случае к параметрам впрыскивания спиртов форсункой предъявляются менее жесткие требования, чем при их подаче непосредственно в цилиндры.

При исследовании четырехтактного дизеля DT-24368 (6 ЧН 10,9/12,7) фирмы Navistar International (неразделенная КС, =16,3, iVh=7,14 дм3, Ne=125 кВт при n=2500 мин-1), работающего на метаноле и этаноле, спиртовое топливо впрыскивалось во впускной коллектор с помощью топливного насоса распределительного типа и форсунки с электронным управлением модели Е-10 фирмы Bendix под давлением около 10 МПа [240]. Дизельное топливо подавалось в КС штатной системой топливоподачи. Доля спиртового топлива (этанола и метанола) варьировалась в пределах 0-80 % от полной цикловой подачи топлива. Испытания дизеля показали возможность снижения эмиссии оксидов азота в 5-6 раз при увеличении доли спиртового топлива в общей подаче от 0 до 80 %.

В университете штата Висконсин (Мадисон, США) создана экспериментальная установка (рис. 18) и проведены испытания дизеля с подачей парообразного этанола во впускную систему [97,110]. Исследовался четырехтактный четырехцилиндровый дизель с рабочим объемом Vh=8,259 л с турбонаддувом и многоплунжерным ТНВД фирмы R. Bosch, впрыскивающим дизельное топливо в цилиндры дизеля. Одновременно из бака 2 во впускной коллектор 9 через распылитель 8 подавался этанол, поступающий в цилиндры в паровой фазе. Таким образом, двигатель работал на двух видах топлива.

Результаты экспериментальных исследований, полученные на режимах с частотой вращения коленчатого вала n=2100 мин-1 (рис. 19), свидетельствуют о значительной зависимости показателей эффективности работы двигателя от соотношения впрыскиваемого в КС дизельного топлива и подаваемого во впускной коллектор этанола. Так, на режимах с высокими нагрузками эффективного КПД е несколько возрастал с увеличением доли парообразного этанола в общей подаче топлива в дизель. На режимах с малыми нагрузками, напротив, эффективный КПД уменьшался с увеличением процентной подачи спирта. Аналогичные зависимости наблюдались на всех исследованных скоростных режимах, а также при добавках спирта различной крепости.

Рис. 18 Схема экспериментальной установки для исследования влияния добавки парообразного этанола во впускную систему дизеля на показатели его работы: 1 - воздушный манометр; 2 - бак спиртового топлива; 3 - фильтр; 4 - водяной холодильник; 5 - вентиль; 6 - ротаметр; 7 - подогреватель; 8 - распылитель спиртового топлива; 9 - впускной коллектор; 10 - двигатель; 11 - турбокомпрессор

Рис. 19 Зависимость эффективного КПД е и удельного эффективного расхода топлива gе дизельного топлива (а) и этанола (б) от его относительной подачи во впускной коллектор Cэт (от энергии, выделенной этанолом Qэт) при работе дизеля на режимах с частотой вращения n=2100 мин-1 и нагрузкой (эффективной мощностью Nе): 1 - 84,7…96,9 кВт; 2 - 55,7…56,6 кВт; 3 - 27,6…28,0 кВт

Подача этанола во впускной коллектор дизеля проводилась с целью к замещению части дизельного топлива спиртом. При этом экономия дизельного топлива (снижение его удельного эффективного расхода gе) на режимах с полной нагрузкой достигала 50 % (кривая 1).

Дымность, замеренная по методике фирмы Bosch и выбросы оксидов азота в ОГ при увеличении подачи этанола уменьшались. Количество несгоревших углеводородов, напротив, возрастало, что объясняется присутствием углеводородов во впускном воздухе и гашением пламени в пристеночной области из-за пониженного температурного уровня деталей КС. Другой причиной повышенного содержания несгоревших углеводородов в ОГ является попадание части испарившегося спирта в выпускную систему во время периода продувки.

Недостатком рассмотренной организации работы дизеля на дизельном топливе и этаноле является наличие двух отдельных систем подачи указанных топлив. Необходимость использования в двухтопливном дизеле двух форсунок существенно усложняет его конструкцию, требует размещения дополнительных элементов на двигателе. Кроме того, при такой организации рабочего процесса необходимо решить проблему нестабильной работы двигателя на режимах с малыми частотами вращения [95].

Сравнение различных способов подачи спирта на впуск дизеля, проведенное в работе [240], показано, что наилучшие характеристики получены при распределенном впрыскивании (многоточечном) на каждом цикле работы дизеля.

Широкое применение метанола и этанола в качестве моторных топлив для дизелей сдерживается тем обстоятельством, что по ряду физико-химических свойств они существенно отличаются от дизельных топлив. Основным недостатком спиртов является их плохая воспламеняемость в цилиндрах дизелей, что требует использования различных мероприятий для их принудительного воспламенения. Этот недостаток усугубляется высокой испаряемостью спиртов и, как следствие, переохлаждением спиртовоздушной смеси. В частности, теплота испарения метанола в 4,4 раза больше теплоты испарения дизельного топлива (соответственно 1115 и 250 кДж/кг) при низкой температуре кипения, что обуславливает чрезмерное охлаждение воздушного заряда при испарении спирта и при низких ЦЧ и высоких температурах самовоспламенения спиртов приводит к их плохому воспламенению в КС дизеля и повышенной жесткости их сгорания. Поэтому при использовании спиртов в качестве топлива для дизелей необходима реализация мероприятий по улучшению их воспламеняемости в условиях КС: рациональный выбор формы КС, повышение степени сжатия, повышение температурного уровня деталей КС и их теплоизоляция, регулирование угла опережения впрыскивания топлива, организация рециркуляции ОГ, подогрев воздуха на впуске. Для улучшения самовоспламеняемости в метанол и этанол добавляют легковоспламеняющиеся присадки, например гексилнитрат и октилнитрат. Для этой же цели используются катализаторы (оксиды металлов NiO, Cr2O3, CuO и благородные металлы), снижающие температуру воспламенения спирта и ускоряющих реакцию его горения. Используется и принудительное воспламенение спиртовых топлив свечей накаливания.

Меньшие значения низшей теплоты сгорания по сравнению с дизельным топливом (соответственно 19670 и 42500 кДж/кг) приводят к необходимости корректирования цикловой подачи топлива для сохранения мощностных показателей дизеля. Для предотвращения падения мощности двигателя из-за меньшей весовой подачи спирта (вызванной, в основном, его меньшей плотностью) и его пониженной теплотворной способностью, требуется увеличение количества подаваемого топлива: метанола - примерно в 2,3 раза, этанола - в 1,7 раза, т.е. корректирование топливоподачи.

Таким образом, применение спиртов в дизелях в чистом виде требует конструктивных изменений двигателя. В частности, с целью улучшения воспламенения спиртов используются двухтопливные системы питания, которые наряду с подачей спирта обеспечивают подачу запальной дозы дизельного топлива. Подача же смесей спирта с дизельным топливом с помощью традиционной дизельной топливной аппаратуры затруднена из-за плохой смешиваемости этих двух видов топлив. При этом следует отметить, что этанол смешивается с дизельным топливом ограниченно, т.е. получение их стабильных смесей затруднено, а метанол с дизельным топливом вообще их не образуют. Получение таких смесей возможно лишь при добавлении в смеси этих спиртов и дизельных топлив различных стабилизаторов.

Плохие смазывающие свойства и высокая гигроскопичность спиртов приводят к повышенным износам прецизионных пар ТНВД и форсунок, других деталей двигателя. Возникающие проблемы с организацией смазки деталей двигателя вызваны коагуляцией присадок моторного масла при попадании в него спиртовых топлив и значительным ухудшением смазывающих свойств моторных масел. Отрицательное влияние спиртовых топлив на износ связано с его влиянием на смазывающие свойства моторных масел: нарушается прочность масляной пленки, возможно растворение в них противоизносных и других присадок, содержащихся в моторных маслах; при работе на метаноле отмечается более высокая интенсивность изнашивания, чем на этаноле. Поэтому при выборе масел для дизелей, работающих на метаноле и этаноле. Необходимо учитывать возможность попадания спиртов в масляную систему дизеля и образованию отложений.

Еще одной проблемой, которую необходимо решить при адаптации дизелей к работе на метаноле и этаноле - их коррозионное воздействие практически на все металлы (железо, алюминий, медь, никель, хром, молибден, кадмий и др.), особенно на цинковые и магниевые сплавы, а также на пластмассы, тефлоновые, резиновые и лакокрасочные покрытия. Это обусловлено тем, что эти спирты являются кислородсодержащими соединениями, поэтому требуется подбор материалов, совместимых со спиртовыми топливами. Следует отметить и повышенную токсичность спиртов. В частности, токсичность паров метанола в воздухе в три раза превышает токсичность паров бензина той же концентрации. Однако с учетом уменьшения запасов нефти, удорожания нефтепродуктов и возможности использования возобновляемых сырьевых ресурсов при производстве спиртов их следует рассматривать в качестве одного из перспективных энергоносителей.

Следует также отметить высокое давление насыщенных паров метанола и этанола. Поэтому при их подаче в цилиндры дизелей штатной топливоподающей аппаратурой для предотвращения образования паровоздушных пробок и обеспечения требуемых параметров топливоподачи необходимо повышать давление подкачки. Кроме того, возможные утечки паров этих спиртовых топлив повышают пожаро- и взрывоопасность.

Размещено на Allbest.ru