Влияние подачи газового топлива на экологические показатели дизеля - Статья

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]. Двигатель, работающий на смеси дизельного топлива (ДТ) и газа, принято называть газодизельным. Теоретически при сжигании любого топлива со стехиометрическим количеством воздуха (?=1) продуктами сгорания будут СО2 и Н2О, образовавшиеся в результате реакции полного горения, и азота, перешедшего из воздуха и топлива. Считается, 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]. 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).Подача газового топлива значительно снижает дымность ОГ.

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 (?=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 газовоздушной 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.

Считается, 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 (CNHM) 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 (CNHM) 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 CNHM, 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]

Показатели ГОСТ 27578-87 Фактически

ПА ПБА ПБА

1. Массовая доля компонентов, %: в т.ч. метан этана Не нормируется 6,33 0,38 5,95 пропана 85±10 50±10 50,54

Сумма углеводородов С4 и выше: в т.ч. изобутан норм. бутан пентаны Не нормируется 43,13 13,03 29,74 0,36

Сумма непредельных углеводородов, %, не более 6 6 0,00

3. Избыточное давление насыщенных паров, МПА, при температуре: 45 ?С, не более - 1,6 1,6

-20 ?С, не менее - 0,07 0,29

-35 ?С, не менее 0,07 -

Плотность, кг/м3 при температуре, °С 514 20

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 109060QH, где QC - объемная доля углерода; QH - 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 ? 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 ррм) 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 CNHM, который при увеличении нагрузки значительно снижается. Это связано прежде всего с сильным обеднением горючей смеси. Так, при ?>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.

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.

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.