The use of liquefied petroleum gas as fuel in tractor diesel engines

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Начиная с 90-х годов 20 века количество загрязняющих веществ, попадающих в окружающую среду от дизельных двигателей, неумолимо растет. Загрязняются почвенные покровы, атмосфера, гидросфера, происходит аккумуляция загрязняющих элементов в биосфере. Научные разработки во многом способствуют снижению степени загрязнения окружающей среды. Использование сжиженного углеводородного газа (СУГ) в качестве альтернативного топлива помогает устранить ряд недостатков, связанных с составом газа-воздушной смеси. Первостепенной задачей является разработка средств и методов снижения загрязнения окружающей среды, а именно направленных исследований в области альтернативного топлива с минимальными вредными выбросами в окружающую среду, увеличение доступности данной технологии путем снижения стоимости адаптации топливной аппаратуры дизельного двигателя.

СУГ – это пропан-бутановая смесь, данную смесь заправляют в бытовые газовые баллоны. Она же составляет основную долю газа, который сгорает в факелах нефтедобывающих и перерабатывающих предприятий. Пропорциональный состав топливной пропан-бутановой смеси может различаться по температурным свойствам получаемого горючего. Как моторное топливо – чистый бутан (С₄Н₁₀), но он переходит в жидкое состояние уже при 0,5 °С при атмосферном давлении. Поэтому к нему добавляют пропан (С₂Н₈) с температурой кипения – 43 °С. Соотношение этих газов в смеси задает нижний температурный предел применения топлива, которое по этой же самой причине бывает «летним» и «зимним».

Система распределенного впрыска газодизельного двигателя предназначена для переоборудования дизельных двигателей для работы в режиме двойного топлива — дизель-газ. При этом дизельное топливо используется как запальная доза для воспламенения смеси ввиду отсутствия на дизельных двигателях искровой системы зажигания [1].

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЙ

Основной целью данных исследований является обоснование параметров дизельного двигателя, работающего по газодизельному процессу с воспламенением от запальной дозы, замещающей дизельное топливо, а также определение состава загрязняющих выбросов в отработавших газах.

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА

Замещающим дизельное топливо является СУГ. Определение состава загрязняющих выбросов в отработавших газах. Испытания проводились на всех режимах работы двигателя, включая режим максимального крутящего момента. Режим максимального крутящего момента является самый важным, так как при данной работе двигателя, расход топлива максимальный, но обороты при этом низкие, для полного сгорания топлива. Соответственно, применение СУГ в газодизельном режиме дает возможность более полного догорания топливно-воздушной смеси, что улучшает экологические показатели на выпуске отработавших газов.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Система распределенной подачи газа по цилиндрам обеспечивает в газодизельном режиме регулирование подачи газа для работы двигателя по внешней и частичным регуляторным характеристикам с одновременным обеспечением подачи запальной дозы дизельного топлива. В дизельном режиме регулирует подачу дизельного топлива аналогичную с работой всережимного центробежного регулятора топливного насоса высокого давления (ТНВД).

На рис. 1 показана принципиальная система адаптации дизельного двигателя к работе на двухтопливном режиме [2].

Рис. 1. Система адаптации дизельного двигателя (элементы выделены зеленым).

Создание дизеля, работающего на смешанном топливе. Его большим плюсом является тот факт, что не приходится кардинально перерабатывать топливную систему двигателя, да и возвращение к первоначальной схеме работы также возможно. Кроме этого, по израсходованию всего запаса газа такой силовой агрегат автоматически переводится на дизельное топливо и начинает работать в классическом режиме [3].

Наилучшие экономические показатели достигаются при использовании в виде второго топлива СУГ (пропан). Максимальный процент замещения при использовании пропана составляет 85%, средний процент замещения – 75% [4]. Высокий процент замещения и высокая эффективность работы достигаются за счет использования комбинированной технологии.

Расход газа и дизельного топлива, а также процентное замещение представлены в табл. 1. В комплексе с системой подачи газа также принимает участие система рециркуляции выпускных газов, обеспечивающая автоматически регулируемый перепуск из выпускного коллектора во впускной коллектор отработавших газов. Данная система позволяет избежать появления детонационного сгорания газовоздушной смеси от воспламенения запальной дозы дизельного топлива при высоких и номинальных нагрузках двигателя [5].

Таблица 1. Параметры подачи газа, обеспечивающие бездетонационную работу двигателя

Table 1. The gas supply parameters ensuring nondetonating operation of the engine

На рис. 2 показаны кривые изменения оборотов двигателя от нагрузки, а также изменение топливоподачи дизельного топлива и газа как отдельно, так и на общей кривой расхода топлива. Благодаря оригинальному алгоритму программного обеспечения в каждый момент времени работы двигателя происходит мониторинг нагрузки оборотов двигателя и данных, поступающих с датчиков. После обработки этих данных блок управления газодизеля выдает управляющие сигналы на форсунки газового впрыска, обеспечивая подачу газа в двигатель и на шаговый двигатель/электронный блок, ограничивающий подачу дизельного топлива. Таким образом поддерживается оптимальный топливный баланс, что в разы увеличивает эффективность работы системы по сравнению с аналогами, использующими жесткие ограничения ТНВД в комбинации с эжекторной системой подачи газа.

Рис. 2. Расход топлива от нагрузки.

Кроме того, электронный блок управления отслеживает необходимый угол подачи газа, который при переключении на газ должен быть больше, чем для бензиновых двигателей при прочих равных условиях. Газовое топливо горит медленнее, тем самым объем газа в газовоздушной смеси должен быть больше для получения необходимого давления отработанных газов. По этой же причине возрастает тепловая нагрузка на клапаны и их седла, а также появляется детонация. Но газ не смывает масло со стенок цилиндров и в газовом топливе не содержится катализаторов старения металлов, проходит более полное сгорание топлива, что уменьшает токсичность выхлопа и нагар в цилиндрах.

С целью исключения детонации при сгорании газа в цилиндре двигателя и снижения порога ее возникновения, а также для улучшения экологических показателей установлена система рециркуляции отработавших газов, разработанная авторами. Конструкция системы рециркуляции была изменена в части расположения соединительных элементов системы охлаждения, системы впуска, системы выпуска для обеспечения компоновочных решений на мобильной сельскохозяйственной технике с сохранением функциональных особенностей.

Система рециркуляции обеспечивает перепуск отработавших газов во впускной коллектор на режимах холостого хода и малой мощности (до 50% от номинальной мощности) в пределах 10–20%, что обеспечивает снижение выбросов вредных веществ до 50%. На режимах более 50% от номинальной мощности и режимах корректорной ветви регулятора система рециркуляции обеспечивает перепуск до 50% отработавших газов во впускной коллектор, что обеспечивает увеличение порога возникновения детонации в цилиндре двигателя [6].

Двигатель, работающий в газодизельном режиме, обладает более совершенными экологическими характеристиками, чем двигатель, работающий на дизельном топливе.

Однако степень уменьшения эмиссии экологических вредных веществ сильно зависит от режима работы двигателя и степени замещения дизельного топлива газовым [7].

По данным Европейской ассоциации газомоторных транспортных средств при уровне замещения 50% дизельного топлива газовым достигается падение вредных выбросов в 3 раза. Соответственно, в нашем случае замещение происходит до 70% и вредные выбросы становятся меньше в 4 раза, чем базовые. На рис. 3 показаны соотношения вредных выбросов в окружающую среду как базового дизельного двигателя ММЗ Д243, так и его же вариантас системой адаптации к работе на сжиженном углеводородном газе по газодизельному процессу.

Рис. 3. Соотношение выбросов углекислого газа СО₂.

При проведении исследований двигателя в целях определения токсичности отработавших газов комплектация соответствовала условиям определения номинальной мощности по ГОСТ 18509-88. Режимы работы дизеля определяли согласно ГОСТ Р 41.96-2005 и правилам ЕЭК ООН № 49 по процедуре ESC. Погрешности измерений газоаналитического оборудования: абсолютная погрешность ± 0,5%; относительная погрешность ± 5%.

Необходимо отметить, что использование регулируемой рециркуляции отработавших газов позволяет исключить детонационную работу дизеля на сжиженном углеводородном газе и снизить выброс вредных веществ в окружающую среду. С использованием сжиженного углеводородного газа по предлагаемой технологии общий выброс СО, оксидов азота и углеводородов (СН) снизился на 40...62%.

ВЫВОДЫ

Использование альтернативных моторных топлив позволяет снизить долю затрат на топливо в себестоимости сельскохозяйственной продукции, уменьшить негативную экологическую нагрузку от токсичных выбросов с отработавшими газами двигателей сельскохозяйственных тракторов, обеспечивать выполнение норм Правил ЕЭК ООН № 96, Директивы 97/68 ЕС и соответствующего отечественного ГОСТ Р. 41.96.

СУГ обладает коммерческими и экологическими преимуществами по сравнению с другими альтернативными топливами, что обеспечило в последнее десятилетие значительное расширение его использования в качестве моторного топлива в различных странах благодаря низкой себестоимости на переоборудование и использование.

Полученные результаты являются подтверждением рациональности использования сжиженного углеводородного газа в качестве неполного замещения дизельного топлива: газ – 70% и дизель – 30%. Двухтопливная система питания двигателя, переключения с газодизеля на дизель, обеспечивает бесперебойную работу трактора, в отличие от аналогов, которые не способны обеспечить работу трактора при выработке газа в баллонах.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Вклад авторов. С.Ю. Уютов — обработка полученных исследовательских данных, написание и редактирование текста рукописи, создание изображений; З.А. Годжаев — экспертная оценка, редактирование текста рукописи, утверждение финальной версии. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Конфликт интересов. Авторы декларирует отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contribution. S.Yu. Uyutov ― processing of received research data, writing and editing the text of the manuscript, creating images; Z.A. Godzhaev ― expert opinion, editing the text of the manuscript, approval of the final version. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work.

Competing interests. The authors declare no any transparent and potential conflict of interests in relation to this article publication.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

About the authors

Sergey Yu. Uyutov

Author for correspondence.
Email: s_uyutov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9394-5916
SPIN-code: 7350-1489

Junior Research Scientist of the Automated Drivetrain of the Agricultural Machinery Laboratory

Zakhid A. Godzhaev

Email: fic51@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1665-3730
SPIN-code: 1892-8405

Corresponding Member of the Russian Academy of Sciences, Professor, Dr. Sci. (Tech.), Chief Research Scientist, Head of the Mobile Energy Facilities Department

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. The diesel engine adaptation system (the elements are marked green).

Download (291KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. The fuel consumption depending on loading.

Download (136KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. The carbon dioxide emissions ratio.

Download (83KB)

Indexing metadata